Enseñando sobre el Magnetismo

    Es difícil enseñar sobre estos temas, a menos tanto tú como tus estudiantes tengan un claro entendimiento sobre la naturaleza del magnetismo. (¡Uno también puede argüir que la razón para enseñar sobre la magnetósfera es convertir al estudio del magnetismo en un tema más interesante!)

    Me causa pena decir que aún en estos días y nuestra era moderna, la mayoría del público considera el magnetismo un misterio. Eso ha llevado a que las personas porten brazaletes magnéticos y productos semejantes "para la salud," y hasta cosas tales como magnetos fijados a los depósitos de gasolina para obtener un mayor kilometraje, y una creciente preocupación sobre un posible invertimiento del campo magnético de la Tierra, alentado por las películas de Hollywood.

    En las mentes de la mayoría de los norteamericanos, el magnetismo está siempre asociado con hierro especialmente tratado, con patrones de limadura de hierro y con la forma en que las agujas de una brújula se alinean en direccion norte-sur. En pocas escuelas se enseña mucho más, debido a que (1) la física es una materia optativa y (2) el magnetismo se cubre ya al final del curso, el año escolar es corto y los maestron serían felices si solamente tuvieran que eseñar la ley de Ohm.

    Algunas personas también podrían saber que un alambre de hierro portador de corriente enrollado alrededor de una barra de hierro, convierte a esa barra en un imán, y sobre el uso de electromagnetos en la maquinaria eléctrica. Pero siempre es con hierro, o con alguna substancia magnética. El porqué las manchas solares podrían ser magnéticas, es algo completamente misterioso. Para ayudarte a hacer más comprensible la clase, intentaré dar aquí un curso rápido sobre algunos fenómenos magnéticos básicos, con unas cuantas demostraciones para el salón de clases.

(Diapositiva 1)

    En tiempo santiguos, tanto los griegos como los chinos sabían sobre los imanes naturales, extraños trozs de mineral rico en hierro conocidos como calamitas. Los chinos también sabían que si se frota una aguja de hierro contra una calamita, en una dirección fija, también se vuelve un imán. Aún más, alrededor del año 1000 descubrieron que si un imán o calamita se colocaba en un pequeño "bote" flotando en un recipiente lleno de agua, siempre apuntaba a una dirección fija - y en el caso de una barra de hierro magnetizada, esa dirección siempre era norte-sur. Aún si le dabas vuelta al recipiente lleno de agua, igual el magneto se mantenía apuntando en la misma dirección.

    La razón, que ahora conocemos, es que la Tierra, también, es magnética. De ahí vino la brújula que fue rápidamente copiada por los navegantes árabes y después por los europeos. Nos podríamos preguntar que si los imanes no hubieran existido y que si las brújulas no se hubieran descubierton durante mucho tiempo, se hubiera aventurado Cristóbal Colón a viajar tan lejos sin una de ellas?

La Aguja Flotante de la Brújula

    (En lugar de la diapositiva 2 - coloque una brújula transparente sobre un proyector de acetados)

    Puedes demostrar esto a la clase en de un proyector de acetatos, usando una brújula transparente -- del tipo que uno usa sobre un mapa para orientarlo. Tengo una conmigo aquí.

    Sin embargo es mucho más impresionante hacer flotar una pequeña aguja de coser imantada en una caja Petri conteniendo agua, encima del proyector. Ayuda a prevenir derramamientos de agua si la caja Petri tiene una cubierta, la cual remueves después de que está colocada de forma segura sobre el vidrio del proyector, o bien, llénala (con una taza) después de colocarla sobre el proyector, a una profundidad de 7-8 mm. También ten a la mano otro recipiente para poner el agua después, y por si acaso, también ten a la mano una toalla o papel para secar.

    La aguja deberá ser muy delgada, la más delgada que puedas conseguir y de unos 3 cm de longitud, pues si es más pesada, se hundirá. Deberá estar seca, y si la tocas eso ayudará ya que los dedos tienen algo de grasa que se le pegará. Magnetízala (o imántala) por medio de frotarla con un iman - el imán de botón que se usará en la próxima demostración puede servirte.

    Obtén varias agujas, por si la primera se hunde, ya que será más difícil para una aguja flotar si está mojada, aunque se puede secar con un pedazo de papel. Ten un pequeño imán a la mano para magnetizar al aguja.

    La aguja no se hundirá si la dejas sobre la superficie del agua con cuidado. Tómala horizontalmente por la mitad con dos dedos, justamente encima del agua, y suéltala (usa los dedos, no uses pinzas ya que muchos son de hierro y se le pega la aguja).

    (En lugar de la diapositiva 3 -- demostración de la aguja flotante)

    Por supuesto, la aguja apunta en dirección norte-sur, como puedes demostrar por medio de colocar la brújula transparente (utilizada abajo en otra demostración) en el mismo proyector, que no queden demasiado cercanas, o las dos agujas magnetizadas interactuarán. (También asegúrate que el imán auxilliar esté bastante lejos, porque si no el "norte" podría ser cualquier dirección extraña.

    Pero, ¿porqué flota la aguja? Ah, ahora puedes hablarle a tus estudiantes sobre la tensión de superficie, sobre la delgada "piel" de las capas superiores de las moléculas del agua que se pegan, y sobre algunos insectos que caminan sobre el agua quieta de los charcos al lado de los ríos.

Robert Norman y un antiguo experimento científico

    Pero volvamos al magnetismo, aunque mi propósito principalmente explicar un muy fundamental concepto en ciencia -- el experimento. Un experimento científico es el modo de probar la naturaleza, para aprender cómo se comporta.

    Para 1580, el uso y la fabricación de la brújula era ya un arte bien conocido. El fabricante debía tomar una aguja de acero plana, encontrar su mitad por medio de balancearla, instalar un pivote ahí, y entonces magnetizarla por medio de frotarla contra un imán o calamita. Pero eso no era suficiente. El extremo que apuntaba hacia el norte, siempre parecía más pesado, y se le tenía que arranca un pedacito para hacer que la aguja se balanceara de nuevo.

    La historia dice que un fabricante de brújulas llamado Robert Norman una vez le arrancó demasiada punta a una aguja y la arruinó, así que ideó un experimento para encontrar lo que estaba sucediendo. Antes de imantar la aguja, la balanceó, pero no en un pivote vertical, sino en uno horizontal, alineado hacia la dirección este-oeste. (Diapositiva 4, arriba). Antes de que la aguja fuera imantada, permanecía horizontal. Después, su extremo norte se inclinaba hacia abajo. (Por alguna razón, la aguja en la Figura 4 apunta directamente hacia abajo, tal como haría en el polo magnético.) ¡Ajá! La fuerza magnética dirigida hacia el norte, de la aguja no, era horizontal, sino que apuntaba hacia dentro de la Tierra.

    Ese fue un clásico experimento científico, uno de los primeros, y fue publicado en 1581. Un contemporáneo de Norman fue William Gilbert, distinguido médico y después médico de la Reina Elizabneth I. Gilbert dedicó mucho de su energía y dinero para estudiar el magnetismo, y en 1600 publicó sus investigaciones en un libro llamado "De Magnete" ("Sobre el Imán" en latín). Las visualizaciones precedentes del "ángulo inclinado" de la fuerza magnética (Diapositiva 5) son de este libro.

    Gilbert ideó un experimento que sugería una razón para las propiedades de la brújula: la Tierra en sí misma era un imán gigante. Usando como modelo de la Tierra, una calamita esférica (la llamó "terralla" o "pequeña Tierra"), Gilbert reprodujo no solamente las propiedades de apuntar hacia el norte de la aguja horizontal, sino también de la inclinación hacia abajo de la aguja que Robert Norman había hecho. (Diapositiva 6)

    Encontrarás dos estudios del libro de Gilbert y mucho más, incluso la mayor parte de lo que estoy diciendo aquí el día de hoy, en mi curso en línea sobre el magnetismo de la Tierra, "El Gran Imán, la Tierra" en la siguiente dirección: http://www.phy6.org/earthmag/demagint.htm. El tiempo se acaba, así que sólo voy a reproducir "otro experimento encima del proyector" siguiendo una idea de Gilbert..

Magnetismo inducido

    Si metes un imán dentro de una taza llena de clavos, los clavos se le pegarán al imán. Pero, ¿exactamente porqué? Tú sabes que los imanes atraen al hierro, pero también notas que algunos clavos se les pegan a otros clavos. ¿Porqué sucede eso?

    Gilbert adivinó que la razón era que el hierro común se volvía un imán cuando tocaba otro imán. El hierro dulce (no el acero) pierde su magnetismo una vez que se le despega, pero mientras está en contacto con un imán actúa como un imán también, y su polaridad siempre está en una dirección que le ayuda a pegarse al primer magneto. Siendo así, un clavo atrae a otro.

    El probó su corazonada por medio de demostrar que tales imanes temporales no sólo atraían, sino que también repelían. El hizo ésto por medio de un experimento que se muestra en el dibujo de arriba, la página frontal de este libro: el soldado de la derecha sostiene dos piezas de hierro que cuelgan juntas por medio de alambres, justamente arriba de una esfera imantada. Los tres extremos libres parecen repelerse. En la práctica real, esto no funcionaría muy bien, así que demostraremos el mismo efecto en una forma algo diferente.

    Esta es la manera en como desarrollar el experimento en clase. Pon un imán encima del proyector, y permite que dos clavos se peguen a puntos adyacentes en uno de los polos, y que tus dedos sostengan los clavos paralelos uno al otro.

    (intenta mantener juntos los extremos por medio de un pequeño alambre atado alrededor de ellos)

    Ahora los son clavo son temporalmente imanes con la misma polaridad - digamos, N - en los extremos que están en el imán. Las polaridades de los otros extremos deberán ser las mismas - buscando el Sur, o S - y esos extremos deberán repelerse el uno al otro. Por medio de extender los dedos y permitir que los extremos de las agujas se aparten, puedes mostrar que de hecho lo hacen. (Diapositiva 7)

    También podrías reconocer que este es un imán parecido al del electroscopio. (Diapositiva 8) Los detalles de este experimento están en la siguiente URL: http://www.phy6.org/earthmag/inducemg.htm

    Tus estudiantes ahora deberán entender porqué las limaduras de hierro en una hoja de papel encima de un imán se alínean de la forma en que lo hacen. Cada pequeña pieza se vuelve un imán temporal, y al igual que una pequeña aguja de brújula, se alinean con la dirección de la fuerza magnética.

Oersted Descubre el Electromagnetismo

    Permíteme ir rápidamente al año 1820, no mucho después de la invención de la batería eléctrica. Las corrientes eléctricas eran un tema de moda, pero nadie sospechaba que tuvieran algo que ver con el magnetismo.(Diapositiva 9 - descubrimiento de Oersted)

    Un profesor danés, Hans Christian Oersted, preparó para unos amigos una demostración de ciencia en su casa. Consistía en calentar un alambre por medio de hacerle pasar una corriente eléctrica proveniente de una batería; y también en unas demostraciones del magnetismo usando una brújula en un soporte.

    Mientras desarrollaba su experimento de calentamiento, Oersted notó que cada vez que conectaba la corriente, la aguja de la brújula se movía también, algo completamente inesperado. Nadie más lo notó. En los cuatro meses que siguieron, Oersted intentó esforzadamente encontrar sentido al fenómeno, ¡pero no pudo! La aguja de la brújula no era atraída ni repelida, sino que tendía a permanecer perpendicular al alambre. Al final él solo pudo reportas sus observaciones en un artículo escrito en latín.

    Después del artículo de Oersted, el efecto fue confirmado en toda Europa, y André-Marie Ampére en Francia se lo figuró, usando algunos experimentos inteligentes. El magnetismo, afirmó, era básicamente la fuerza entre corrientes eléctricas. Las corrientes paralelas se atraen, y las corrientes antiparalelas se repelen.

    Los bucles de corriente atraen o repelen como imanes, los rollos con muchos bucles multiplicaban la fuerza magnética, y Ampére adivinó que los átomos de hierro eran magnéticos porque las corrientes eléctricas (que pronto fueron llamada "corrientes de Ampére) circulaban en ellos. Un electrón que orbita en un átomo puede portar tal corriente, aunque ahora sabemos que la explicación verdadera, involucrando el espín del electrón, es más complicada.

El Experimento

    (En lugar de la Diapositiva 10--demostración del experimento de Oersted)

    Se puede desarrollar el experimento de Oersted encima de un proyector, usando solamente una brújula transparente, una batería-D y un alambre corto (digamos de unos 30 cm), grueso y aislado (para en caso que se ponga muy caliente). La batería D deberá ser nueva, ya que tendrás que sacarle una gran cantidad de corriente, en realidad un corto circuito, aunque por un breve espacio de tiempo.

    Pon la brújula en el vaso, y deja que todos vean que apunta al norte. Entonces con tu dedo pulgar presiona uno de los alambres contra el fondo de la batería D. El alambre deberá forma un bucle cerrado, regresando a la otra terminal de la batería, pero no tocándola.

   Maniobra el alambre de manera que la mitad del alambre pase sobre la aguja de la brújula y quede paralela a ella. Entonces toca el otro extremo del alambre al otro extremo de la batería; sólo un pequeño toque (1-2 segundos), ya que es un corto circuito y no es bueno para la batería; también generaría muchísimo alor en los contactos. La aguja inmediatamente girará para permanecer a 90 grados al alambre..

    Invierte los contactos eléctricos haciendo girar las baterías. La aguja girará para estar a 90 grados en la otra dirección.

    (Hay más detalles en este sitio en: http://www.phy6.org/earthmag/oersted.htm)

Magnetización por medio de Rayos

    Por cierto, Gilbert debió haber tenido intuído este efecto (también esto está en mi página en http://www.phy6.org/earthmag/lodeston.htm). En algún libro, él leyó un reporte de Italia, de una barra de hierro colocada en una torre, la cual fue encontrada doblada. Fue llevada a un herrero para ser enderezada, y entonces se decubrió que estaba fuertemente magnetizada. Nosotros día adivinaríamos que fue magnetizada (y también doblada) por un rayo, el cual porta una fuerte (pero breve) corriente eléctrica. De hecho, se cree que la magnetización por medio de un rayo (cuando cae sobre algún mineral que contiene hierro) es lo que produce la calamita, pero para ver una explicación más amplia, entra a la página indicada arriba.

    Todo lo que has escuchado aquí es solo el principio en la enseñanza del magnetismo. Espero que no sea demasiado material para tu curso de ciencia- y al mismo tiempo, espero que sea suficiente para excitar el interés de algunos estudiantes inteligentes y hacer que algunos de ellos, quizá, explore el magnetismo por su propia cuenta.

.