thumb|250px|Visualización del campo magnético de un imán utilizando limaduras de hierro. Se puede observar la dirección del campo en el espacio por cómo se distribuyen las limaduras de hierro alrededor de dicho imán. El magnetismo es el conjunto de fenómenos físicos mediados por campos magnéticos. Estos pueden ser generados por las corrientes eléctricas o por los momentos magnéticos intrínsecos de las partículas constituyentes de los materiales. Es parte de un fenómeno más general: el electromagnetismo. También denomina a la rama de la física que estudia dichos fenómenos.
El níquel, el hierro, el cobalto y sus aleaciones se encuentran entre algunos de los materiales que presentan propiedades magnéticas fácilmente observables, y comúnmente se llaman imanes. Estos materiales son ferromagnéticos e interactúan fuertemente con los campos magnéticos externos a la vez que generan un campo magnético propio. Esto permite la conocida repulsión y atracción entre los polos de los imanes. Sin embargo, todos los materiales son influidos, en mayor o menor medida, por la presencia de un campo magnético.
Etimología
La palabra «magnetismo» viene del griego "μαγνῆτις λίθος" (magnētis lithos), que significa «piedra de Magnesia», y hace referencia a la magnetita, un mineral de hierro ferromagnético.
Historia Los fenómenos magnéticos se conocían ya en la antigua Grecia. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el vocablo: magnetismo. Sabían que ciertas piedras (magnetita) atraían el hierro, y que los trozos de hierro atraídos, eran capaces, a su vez, de atraer a otros. Estas piedras se denominaron imanes naturales.
El primero en estudiar el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre 625 a. C. y 545 a. C. En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del titulado Libro del amo del valle del diablo: «La magnetita atrae el hierro hacia sí o es atraída por este».Li Shu-hua, "Origine de la Boussole 11. Aimant et Boussole", Isis, Vol. 45, No. 2. (jul., 1954), p. 175. La primera mención es sobre la atracción de una aguja que aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae la aguja».
El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckam fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica en 1187.
Peter Peregrinus de Maricourt, fue un estudioso francés del que realizó experimentos sobre magnetismo y escribió el primer tratado existente sobre las propiedades de los imanes. Su trabajo destaca por contener la primera discusión detallada de una brújula. El cosmógrafo español Martín Cortés de Albacar, formado en Zaragoza y en la escuela de pilotos de Cádiz, descubrió y situó el polo norte magnético en Groenlandia en 1551 para los navegantes españoles e ingleses (su libro fue traducido y muy reimpreso en Inglaterra) facilitando así considerablemente la navegación. Galileo Galilei y su amigo Francesco Sagredo se interesaron por el magnetismo engastando un buen trozo de roca magnética de más de kilo y medio en un bello artilugio de madera. La magnetita se disponía de tal manera que, a modo de imán, atraía una bola de hierro de casi cuatro kilos de peso; pero la falta de aplicaciones prácticas y económicas del invento desalentó más experimentación por parte de estos destacados científicos italianos.Lozano Leyva, Manuel. «¿Sabías que Galileo menospreció el magnetismo por razones económicas?» 6 de noviembre de 2013. El País. En 1600 el médico y físico William Gilbert publicó en Londres su obra De magnete, magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure; Physiologia noua, plurimis & argumentis, & experimentis demostrata ("Sobre el imán y los cuerpos magnéticos y sobre el gran imán la Tierra"), que estableció las bases del estudio profundo del magnetismo consignando las características y tipologías de los imanes y realizando todo tipo de experimentos cuidadosamente descritos. Observó que la máxima atracción ejercida por los imanes sobre los trozos de hierro se realizaba siempre en las zonas llamadas "polos" del imán. También clasificó los materiales en conductores y aislantes e ideó el primer electroscopio. Descubrió la imantación por influencia y fue el primero en percibir que la imantación del hierro se pierde al calentarlo al rojo. Estudió la inclinación de una aguja magnética concluyendo que la Tierra se comporta como un gran imán.
El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes hasta que en 1820 Hans Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor capaz de mover una aguja magnética situada en ese entorno. Muchos otros experimentos siguieron con André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday y otros que encontraron vínculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y explicó estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell, unificando el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas leyes para comprobar su teoría de la relatividad especial;Einstein, A. «On the Electrodynamics of Moving Bodies.» 30 de junio de 1905. en el proceso mostró que los campos eléctricos y magnéticos son dos caras de la misma moneda, el tensor de campo electromagnético.
La física del magnetismo
Campos y fuerzas magnéticas
El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, por ejemplo, una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, este al girar imparte una fuerza magnética a otras partículas que están en el campo.
Para una aproximación excelente (pero ignorando algunos efectos cuánticos, véase electrodinámica cuántica) las ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de Biot-Savart en el caso de corriente constante) describen el origen y el comportamiento de los campos que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto, el magnetismo se observa siempre que partículas cargadas eléctricamente están en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente eléctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo atómico. Estas también aparecen de un dipolo magnético intrínseco que aparece de los efectos cuánticos, por ejemplo, del spin de la mecánica cuántica.
Ley de Lorentz
La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético causa sus efectos creando una fuerza. Cuando una partícula cargada puntualmente se mueve a través de un campo magnético B, se ejerce una fuerza F descrita por la ley de Lorenz
donde es la carga eléctrica de la partícula, es el vector velocidad de la partícula y es el campo magnético. Dado que es un producto vectorial, la fuerza es siempre perpendicular tanto a la velocidad como al campo inductor. Esto implica que el trabajo mecánico realizado por la fuerza magnética sobre la partícula es nulo (W=0) manteniendo su energía cinética y la magnitud de su velocidad constantes, modificando únicamente la dirección de su movimiento. Si el campo magnético es uniforme y perpendicular a la velocidad, la partícula describirá un movimiento circular uniforme cuyo radio de curvatura (radio de ciclotrón) está determinado por el balance de la fuerza magnética y la fuerza centrípeta:
La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, cambia la dirección del movimiento de esta, pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La magnitud de la fuerza es : donde es el ángulo entre los vectores y . Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en movimiento, es siguiendo la ley de la mano derecha (véase regla de la mano derecha).
El físico alemán Heinrich Lenz formuló lo que ahora se denomina la ley de Lenz, esta da una dirección de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción electromagnética.
Aplicaciones de la Fuerza sobre cargas en movimiento
miniaturadeimagen|esquema selector de velocidadesSelector de velocidades: Dispositivo que utiliza campos eléctricos (E) y magnéticos (B) perpendiculares (campos cruzados). Las partículas cargadas con una velocidad específica experimentan fuerzas eléctricas y magnéticas de igual magnitud pero en sentidos opuestos, logrando atravesar el dispositivo en línea recta sin ser desviadas. miniaturadeimagen|esquema espectrómetro de masasEspectrómetro de masas: Instrumento analítico que separa iones en función de su relación masa-carga . Tras pasar por un selector de velocidades, los iones se introducen en una región de campo magnético uniforme donde describen trayectorias circulares; midiendo el radio de dicha trayectoria se determina con precisión la masa molecular o isotópica. miniaturadeimagen|esquema ciclotrónCiclotrón: Acelerador de partículas resonante que emplea un campo magnético uniforme para mantener a los iones en órbitas circulares y un campo eléctrico alterno de alta frecuencia para acelerarlos cada vez que cruzan el espacio entre dos electrodos semicirculares (denominados "As"ó "dees"). El periodo de revolución es independiente del radio, lo que permite la sincronización de la aceleración.
Fuerza magnética sobre corrientes eléctricas Una corriente eléctrica en un medio conductor está constituida por un flujo masivo de portadores de carga en movimiento uniforme. Cuando el conductor se coloca en una región del espacio con un campo magnético, la fuerza macroscópica experimentada por el alambre es el resultado neto de la suma vectorial de las fuerzas magnéticas individuales ejercidas sobre cada uno de los portadores de carga en deslizamiento.
Si consideramos un segmento de conductor recto de longitud L y sección transversal A que transporta una corriente estable I. Si el número de portadores de carga por unidad de volumen es n y cada uno posee una carga q y se mueve con una velocidad vd la fuerza magnética sobre un solo portador es . El número total de portadores en el segmento es . Multiplicando la fuerza individual por el número total de partículas, se obtiene la fuerza macroscópica neta:
Dado que la intensidad de corriente se define macroscópicamente como , y definiendo el vector de longitud L en la misma dirección que la velocidad de los portadores positivos (sentido de la corriente convencional), la ecuación de la fuerza se expresa como:
Para el caso general en que el conductor posee una geometría curva arbitraria o se encuentra sumergido en un campo magnético no uniforme, el cálculo requiere subdividir el alambre en elementos infinitesimales de longitud descritos por el vector diferencial dl. La fuerza diferencial dF ejercida sobre dicho elemento es:
La fuerza total sobre todo el cuerpo conductor se calcula mediante la evaluación de la integral de línea a lo larga de la trayectoria geométrica del alambre:
Si el circuito es cerrado y el campo magnético en el que se ubica es uniforme, la corriente I y el campo B pueden salir de la integral resultando en . Como la suma vectorial de los desplazamientos alrededor de una trayectoria cerrada es cero , la fuerza magnética neta sobre cualquier espira cerrada de corriente en un campo uniforme es siempre nula.
Dipolos Magnéticos
Se puede ver una muy común fuente de campo magnético en la naturaleza, un dipolo. Este tiene un «polo sur» y un «polo norte», sus nombres se deben a que antes se usaban los imanes como brújulas, que interactuaban con el campo magnético terrestre para indicar el norte y el sur del globo.