Si observamos el campo magnético producido por un imán apreciamos diferencias con el campo magnético producido por una corriente eléctrica.
Si doblamos el cable eléctrico hasta formar con él una circunferencia o aro que llamamos espira , se generaría alrededor de esta espira el siguiente patrón de campo magnético.
La onda magnética de una espira ya se va pareciendo al campo de un imán.
La espira genera ondas a lo largo de toda ella, provocando unos tubos de onda tridimensionales a su alrededor (en el esquema describimos solamente un plano que muestra el campo generado en la parte superior e inferior de las espiras).
Si juntamos unas cuantas espiras por las cuales pasa la corriente eléctrica tendríamos un solenoide cuyo patrón de campo magnético sería el producto de la suma de las ondas producidas por cada espira.
El campo magnético producido por un solenoide nos recuerda al campo magnético producido por un imán.
La similitud entre ambos nos lleva a deducir que los dos campos tienen una causa similar.
De hecho así lo describe el notable científico norteamericano Richard Feynman en su libro “física”:
“en la superficie hay una corriente resultante que siempre irá en el mismo sentido alrededor de la barra. ¿ahora ven porqué dijimos anteriormente que una barra uniformemente magnetizada es equivalente a un solenoide largo por el que circula una corriente eléctrica?”.
Realizando una semejanza entre el campo de un solenoide y el campo de un imán, concluimos que al igual que en el solenoide la corriente fluye por las espiras formando todas ellas en su conjunto un tubo o cilindro por el que discurre la electricidad en su superficie;
En un imán debe de ocurrir lo mismo: y en su superficie debe de producirse un flujo de corriente superficial como dice Feynman.
Para que se genere una corriente superficial en el imán antes es necesario que se ordenen los dipolos eléctricos de sus moléculas interiores.
Ordenación de los dipolos eléctricos en el interior de la limadura de hierro
Las ondas que provienen de una corriente eléctrica forman círculos según el siguiente gráfico:
Lo que hace la onda magnética es atravesar la limadura de hierro ocasionando un alineamiento eléctrico de sus moléculas interiores, en un sentido u otro según la corriente que lo ha ocasionado sea ascendente o descendente.
La onda al atravesar la limadura ordena sus moléculas.
Veamos el esquema de ordenación de moléculas de limadura de hierro observado en su sección transversal:
Magnetismo
Como vemos en el gráfico, la onda magnética provoca una corriente eléctrica superficial en la limadura de hierro que produce el efecto de un solenoide
La corriente eléctrica del cable conductor a la izquierda genera una onda perpendicular que ordena los dipolos de la limadura de hierro formando una espiral.
Al fluir de la corriente por el cable conductor provoca en el medio circundante (aire) una atracción electrostática de sus electrones causante de una onda cuya dirección es la resultante de la interacción de 2 fuerzas. Una perpendicular al cable conductor y otra ascendente producto de una corriente ascendente en el cable o descendente en caso contrario.
Magnetismo: Esquema de magnetismo con polaridad opuesta
En esta segunda imagen vemos el efecto de una onda producida por corriente descendente ordenando los dipolos eléctricos en forma de espiral, en sentido contrario a como se ordenaron con corriente ascendente.
Las moléculas que componen la limadura de hierro forman dipolos eléctricos. Si estos dipolos están desordenados, se anulan los unos con las otros, pero si reciben una onda magnética se produce su alineamiento eléctrico en forma de espiral en el interior de la limadura.
Según sea el sentido o dirección de la espiral interna formada por los dipolos, el imán será de una polaridad u otra.
Generación de la corriente superficial en un imán
¿Pero cómo se produce realmente la corriente eléctrica en la superficie del imán?
En el interior del hierro dulce; las ondas magnéticas orientan los electrones de sus moléculas hacia la procedencia de las ondas.
Una vez que ha pasado la onda , las moléculas tiende a equilibrarse devolviendo los electrones a su lugar de origen , hasta que llega la siguiente cresta que vuelve a orientar los electrones otra vez hacia la procedencia de la onda.
Sin que llegue a producirse trasvase de electrones pues las crestas de las ondas llegan a intervalos regulares.
En la superficie del imán de hierro sus moléculas captan electrones del aire circundante para equilibrar su carga. De tal manera que al llegar la siguiente cresta de onda magnética encuentra a la molécula ya equilibrada
Eléctricamente y le da tiempo para provocar el trasvase de electrones de una molécula a otra. Se produce así un flujo de corriente eléctrica superficial.
En el interior del acero imantado , sus moléculas tienen una disposición tal que permanecen permanentemente descompensadas eléctricamente de tal manera que mantienen exceso de electrones en un lado y defecto en el contrario.
En la superficie del acero, las moléculas captan electrones del aire por su lado deficitario y una vez compensadas eléctricamente , tienden a volver a su situación inicial transfiriendo los electrones captados en el aire al lado contrario , empujando los electrones sobrantes a la siguiente molécula.
Se produce así la corriente eléctrica superficial en el imán de acero.
Se genera pues una marea eléctrica en la superficie exterior de la limadura. La dirección de esa marea eléctrica superficial depende como hemos dicho de la dirección de la espiral interna que han formado sus dipolos eléctricos ; según sea la dirección de esa marea, el imán formado será de una polaridad o de otra.
Detalle del efecto sobre la limadura de hiero que queda imantada por la generación de corriente eléctrica superficial.
La limadura se comporta ahora en su conjunto como un único imán.
Los polos magnéticos se ven pues sustituidos por la dirección de la marea eléctrica generada sobre la superficie del imán.
Las moléculas quedan eléctricamente ordenadas de manera temporal en el hierro dulce e indefinida en el acero.
La aguja imantada de una brújula al buscar el norte lo que hace es alinear el giro de su corriente eléctrica superficial con la onda magnética proveniente del giro de la marea eléctrica superficial del núcleo de nuestra tierra.
Atracción y repulsión magnética
Para entender atracción y repulsión hay que entender primeramente que las ondas magnéticas son en realidad ondas electrostáticas.
Si acercamos una limadura de hierro a un imán, las ondas que provoca el imán; ejercen una fuerza electrostática en las líneas del campo magnético sobre las moléculas interiores de la limadura cambiando la orientación de los dipolos eléctricos de sus moléculas, convirtiendo la limadura en imán compatible.
Si se acerca un imán de acero recibe también la influencia de una fuerza electrostática sobre sus moléculas y al no poder cambiar la orientación de estás, lo que hace es cambiar la posición del imán entero hasta que adopte una posición compatible, llegando incluso a darse la vuelta.
Si las olas del mar nos pueden balancear a nosotros, igualmente las ondas magnéticas pueden mover objetos. Lo que hacen las ondas magnéticas es introducirse en el interior de otro imán y actuando con fuerzas electrostáticas sobre las moléculas interiores mueven el imán entero para orientarle correctamente.
Luego las fuerzas magnéticas de atracción y repulsión son generadas finalmente por fuerzas eléctricas, mas concretamente son fuerzas electrostáticas.
El imán pues se ve atraído o repelido desde el interior de sus moléculas siendo esta fuerza mas intensa en los extremos del imán pues en estos coinciden mucho mayor concentración de ondas que en otro lugar.
El magnetismo se puede explicar desde una perspectiva microscópica y molecular; sin necesidad de bajar al nivel atómico cuántico. Sin embargo para estudiar la electricidad sí que debemos bajar al nivel cuántico. (véase el libro tornados).
Teoría cuántica de magnetismo
La ciencia actualmente está investigando el magnetismo a nivel quántico y parece que los científicos han llegado a la conclusión de que el magnetismo se origina en el movimiento de los electrones en los átomos de los materiales ferromagnéticos.
El espín del electrón actúa como un pequeño imán.
En la mayoría de los materiales estos efectos se anulan unos átomos con otros, pero el hierro, níquel y cobalto son excepciones.
Como vemos la teoría “cuántica” del magnetismo, utiliza la palabra “imán” en la definición de magnetismo: “el espín del electrón actúa como un pequeño imán”, esto es un ejemplo de utilización de la palabra definida en la propia definición: y significa indeterminación y vaguedad a la hora de dar una explicación del fundamento del magnetismo.