Magnetismo: Los orígenes

Primeros descubrimientos

Como sucede con la electricidad, el fenómeno del magnetismo era conocido desde la antigua Grecia y también su nombre es de origen griego. La palabra magnetismo viene de la palabra “magnes”, imán en griego, que a su vez viene de Magnesia (Magnesia del Meandro), región del Asia Menor en la que se encuentran yacimientos del mineral magnetita (piedra imán), que tiene la propiedad de atraer objetos de hierro así como conferir al hierro sus propiedades magnéticas. Se observó que el efecto de atraer pequeños trocitos de hierro era más pronunciado en ciertas zonas del imán denominadas  polos magnéticos.

Tales de Mileto (aprox. 624-546 a.C.) es considerado como uno de los primeros que asoció los fenómenos eléctricos y magnéticos. Tales conoció los efectos de la magnetita y pensó que si el ámbar al ser frotado era capaz de atraer pequeños objetos era porque se transformaba en magnético por el efecto del frotamiento. Sin embargo se dio cuenta que por mucho que frotara el ámbar, éste era incapaz de atraer pequeños trocitos o limaduras de hierro, que sí eran atraídos por la magnetiza, sin necesidad de ser frotada. De este modo, electricidad y magnetismo quedaron independientes e incomunicados durante más de dos mil años, justo hasta que Oersted descubriera en 1820 que una corriente eléctrica es capaz de desviar la aguja de una brújula.

Tales de Mileto (aprox. 624-546 a.C.). Créditos: Wikipedia.

Los polos magnéticos y la brújula

La utilización de una aguja imantada como brújula en navegación se remonta a la Edad Media aunque el conocimiento de las propiedades de la brújula ya era conocido por los chinos varios siglos antes y llevado a occidente por los árabes. En China, la primera referencia al fenómeno del magnetismo se encuentra en un manuscrito del siglo IV a.C. que lleva por título Libro del amo del valle del diablo y en el que señala que “la magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por este”. La primera mención sobre la atracción de una aguja imantada aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 d.C.: “La magnetita atrae a la aguja”. El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética (o aguja de marear, como se llamaba en aquella época) y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Los chinos transmitieron sus conocimientos sobre la brújula a hindúes y árabes y fueron estos últimos los que la trajeron a Europa.

Shen Kua (1031-1095). Créditos: Wikipedia.

Alexander Neckam (1157-1217) fue el primer europeo en conseguir desarrollar la técnica de usar la brújula en navegación en 1187. Si una varilla imantada se suspende libremente en un punto de la superficie de la Tierra, la varilla se orienta en la dirección Norte-Sur. Este hecho permitió distinguir los extremos de la varilla o polos magnéticos norte (N) y sur (S) y concluir que la propia Tierra se comporta como un gran imán. Se observó, asimismo, que la fuerza entre polos del mismo nombre es repulsiva, mientras que la fuerza entre polos de distinto nombre es atractiva. A diferencia de lo que sucede con las cargas eléctricas los polos magnéticos siempre se presentan de dos en dos. No es posible tener un polo norte o un polo sur aislados y si se parte un imán para intentar separar sus polos, se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con una pareja de polos norte y sur de igual intensidad. De estos experimentos se puede concluir que no existen monopolos magnéticos libres o, al menos hasta el momento, no han sido encontrados.

En 1269, Pierre Pelèrin de Maricourt, estudioso francés del siglo XIII, ingeniero militar al servicio de Carlos de Anjou y compañero de San Luis en la primera cruzada. En sus estudios presenta la primera descripción detallada de la brújula como instrumento de navegación. Descubrió que si una aguja imantada se deja libremente en distintas posiciones sobre un imán natural esférico, se orienta a lo largo de líneas que, rodeando el imán, pasan por puntos situados en extremos opuestos a la esfera. Estos puntos fueron llamados polos del imán. También observó que los polos iguales de dos imanes se repelen entre sí y los polos distintos se atraen mutuamente. Durante el sitio de Lucerna en Italia por Carlos de Anjou en agosto de 1269, Maricourt escribe su carta sobre el magnetismo, la  Epistola ad Sigerum de Foucaucourt militem de magnete, conocida también como Epistola de magnete, que supone el primer tratado científico sobre las propiedades del los imanes.

Aguja rotatoria de una brújula en una copia de la ‘Epistola de magnete’ de Pierre de Maricourt (1269). Créditos: Wikipedia.

‘De Magnete’ y el magnetismo terrestre

William Gilbert (1544-1603), contemporáneo de Kepler y Galileo, llevó a cabo cuidadosos estudios de las interacciones magnéticas y publicó en 1600 sus resultados en un libro, “De magnete, magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure” (Sobre los imanes, los cuerpos magnéticos y el gran imán terrestre), más conocido como De magnetela primera descripción exhaustiva del magnetismo así como la primera gran obra de la física experimental. En la primera frase del prólogo Gilbert ya deja clara cual es su forma de proceder:

“En el descubrimiento de cosas secretas y en la investigación de las causas ocultas, los experimentos seguros proporcionan y demuestran sólidos argumentos en comparación con probables conjeturas y las opiniones de los especuladores filosóficos de tipo común.”

Una parte importante de la ciencia europea tiene sus raíces en las teoría iniciales de Gilbert y su afición por los experimentos. Gilbert estudió medicina y llegó a ser un médico de prestigio y en el año 1600 fue nombrado médico personal de la reina Isabel I de Inglaterra, aunque no debió ser muy bueno en ese cometido pues la reina falleció casi inmediatamente. El único legado personal que dejó la reina antes de morir fue una suma de dinero para William Gilbert con la cual éste pudo continuar sus estudios sobre magnetismo. En sus estudios Gilbert concluyó que la Tierra puede considerarse como un imán gigante con sus polos situados cerca de los polos norte y sur geográficos. Este concepto sobrevivió a través de los siglos, y después de haber sido desarrollado matemáticamente por el gran matemático Alemán Carl Gauss, es hoy un concepto fundamental en la teoría del magnetismo terrestre. También comprobó que si se divide un imán en dos partes, se obtendrá la formación de dos nuevos polos, “es imposible obtener un polo magnético aislado”, escribió.

‘De magnete’ y William Gilbert (1544-1603). Créditos: Wikipedia.

El magnetismo era uno de los ejemplos preferidos de los magos para probar la existencia de cualidades ocultas. Gilbert llegó a comparar los efectos de los imanes con los del alma, mientras que para René Descartes (1596-1650), sus Principia philosophiae (Los principios de filosofía), señala que el magnetismo era un torrente de corpúsculos que salían del cuerpo magnético y que tenían forma de tornillos de rosca derecha o izquierda, como un sacacorchos, por lo que dependiendo de la forma harían que los objetos a los que se acercaran se movieran hacia el imán o se alejaran del mismo. De este modo, Descartes explicó el magnetismo recurriendo a un flujo de partículas que saldrían de un polo del imán y entrarían en el otro.

René Descartes (1596-1650). Créditos: Wikipedia.

En el siglo XVIII, por analogía con la electricidad, se supuso la existencia de dos fluidos magnéticos. Charles-Augustin Coulomb (1736-1806) estudió las fuerzas entre polos magnéticos y propuso la ecuación de la fuerza entre polos magnéticos semejante a la fuerza electrostática entre cargas eléctricas y la fuerza gravitatoria entre masas gravitatorias: La fuerza entre dos polos magnéticos varía de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los polos y de forma directa con la intensidad de los polos (medida por la fuerza que ejercen sobre un polo de valor determinado). La ley que rige las fuerzas de atracción y repulsión entre las cargas eléctricas y los polos magnéticos fue publicada en 1785 en un trabajo titulado Segunda memoria sobre la electricidad y el magnetismo. Como había hecho Gilbert casi doscientos años antes y Tales de Mileto dos mil años antes, Coulomb consideró que los fenómenos eléctricos y magnéticos eran diferentes, puesto que, a pesar de la estrecha analogía que parecía existir entre ellos, los experimentos indicaban que los polos magnéticos y las cargas eléctricas (entonces sólo en reposo) no interactuaban entre sí.

Charles-Augustin Coulomb (1736-1806). Créditos: Wikipedia.

Gauss y los Observatorios Magnéticos

Una de las figuras claves en el desarrollo del magnetismo (y en el de otros muchos campos de la ciencia) es Carl Friedrich Gauss (1777-1855) que estableció el primer Observatorio Magnético en Gotinga e inició en él observaciones continuas sobre el magnetismo terrestre y desarrolló el primer magnetómetro. En 1832 publicó un artículo sobre la medición del campo magnético de la Tierra y describió un nuevo instrumento que consistía en un imán de barra permanente suspendido horizontalmente de una fibra de oro. La diferencia en las oscilaciones cuando la barra era magnetizada y cuando era desmagnetizada permitió a Gauss calcular un valor absoluto para la fuerza del campo magnético de la Tierra. La ley de Gauss del magnetismo, llamada así precisamente por Carl Gauss, es una de las ecuaciones fundamentales del campo electromagnético (ecuaciones de Maxwell) y una manera formal de afirmar que no existen polos magnéticos aislados (por ejemplo, un imán son polo norte o sur), es decir, monopolos magnéticos.

Wilhelm Eduard Weber (1804-1892), amigo y colaborador de Gauss, fue profesor en las Universidades de Leipzig y Gotinga, y sucedió a Gauss al frente del Observatorio Magnético de Gotinga. Weber propuso que las partículas de un cuerpo son intrínsecamente magnéticas, pero que sólo en ciertos materiales se mantienen todas ellas alineadas. Junto con su amigo Gauss inventó en 1833 un nuevo tipo de telégrafo conocido como telégrafo de Gauss-Weber.

Estatua de Weber y Gauss (sentado) en Gotinga. Créditos: Wikipedia.

Uno de las contribuciones más importantes de Weber fue el  “Atlas Des Erdmagnetismus: Nach Den Elementen Der Theorie Entworfen” (Atlas de Geomagnetismo), confeccionado en colaboración con Gauss. Este Atlas está compuesto por una serie de mapas magnéticos de la Tierra que en su día suscitaron el interés de las principales potencias del momento lo que les llevó a fundar “observatorios magnéticos”. En el año 1864, y también en colaboración con Gauss, publica Medidas Proporcionales Electromagnéticas, texto que contiene un sistema de medidas absolutas para corrientes eléctricas y que sentó las bases de las medidas quede usan hoy en día. En 1856, junto con Rudolf Kohlrausch (1809-1858), ambos demostraron que el cociente de las unidades electrostáticas y las electromagnéticas daba lugar a un número que coincidía con el valor de la velocidad de la luz conocido por aquel entonces. Este hallazgo ayudó a Maxwell a conjeturar que la luz es una onda electromagnética. También, en un artículo publicado en 1856 por Kohlrausch y Weber, fueron los primeros en utilizar la letra “c” para designar a la velocidad de la luz.

BIBLIOGRAFÍA

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Magnetismo, Wikipedia (consultado 28/04/2017).

Peter Peregrinus de Maricourt, Wikipedia (consultado 28/04/2017).

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Wilhelm Eduard Weber, Wikipedia (consultado 28/04/2017).

About Augusto Beléndez

Catedrático de Universidad de Física Aplicada en el Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante. Director del Instituto Universitario de Física Aplicada a las Ciencias y las Tecnologías (IUFACyT) así como del Grupo de Investigación "Holografía y Procesado Óptico" (GHPO) y del Grupo de Innovación Tecnológica-Educativa "Física, Óptica y Telecomunicaciones" (GITE-FOT).
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