La magnetita, el primer iman

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Ciencia, Arte y Cultura.

La magnetita, el primer iman
Mayo – Junio de 1996
Fuente: Hemeroteca Virtual ANUIES – http://www.hemerodigital.unam.mx/ANUIES
– Asociación Nacional de Universidades e Instituciones de Educación Superior – http://www.anuies.mx

El primer material magnético que el hombre observó en la naturaleza, experimentó y usó tecnológicamente, fue el mineral llamado magnetita, Fe304, un material sólido natural no metálico que puede atraer hierro. Esta propiedad fue registrada por primera vez en la historia en escritos griegos conocidos alrededor del año 800 aC . Su significado científico y tecnológico fue apreciado y usado tiempo después. La magnetita fue el primer material magnético usado tecnológicamente porque formó la primer brújula, instrumento de navegación y orientación fundamental para el hombre, sobre todo durante los siglos pasados.

Piedra de magnetita 
La primer teoría explicativa del magnetismo se la debemos a los griegos. Lucrecio Caro da una teoría de emanaciones o efluvios, basada en las teorías atomicistas de Epicuro y Demócrito. Desde entonces, la acumulación de conocimiento del magnetismo es enorme y una gran cantidad de efectos y propiedades son entendidas ahora. Aun así, la última teoría del magnetismo todavía no se escribe.
Tecnológicamente el ser humano ha inventado una pléyade de instrumentos de detección, medición, rastreo, etcétera, a partir de un sinnúmero de objetos magnéticos como la tierra misma, los átomos y moléculas, las galaxias y el cerebro humano. Tales instrumentos van desde los más simples, como la brújula, las bobinas de Helmholtz el galvanómetro, hasta los complicados como la balanza de torsión, el magnetómetro de vibración, los espectómetros de resonancia magnética nuclear (rmn), de resonancia paramagnética electrónica (rpe), el magnetómetro squid, hasta llegar a la tomografía por resonancia magnética nuclear de imágenes.

Espectrómetro de EPR

MATERIALES Y CUERPOS MAGNÉTICOS

Hasta nuestros días se conocen muchos materiales con características magnéticas, ya sea naturales o fabricados por el hombre. Entre los naturales se encuentran cuerpos celestes, piedras lunares, la tierra, diversos minerales en ella, magnetobacterias, proteínas, enzimas, hasta llegar al cerebro humano. De los fabricados por el hombre tenemos las ferritas, aleaciones de Al (aluminio) Ni (níquel) Co (cobalto), compuestos moleculares de tierras raras, lantánidos y actínidos, superconductores, tanto en forma de elemento químico, como en compuestos intermetálicos y cerámicos, etcétera, la mayoría de ellos descubiertos o fabricados sólo en este siglo de la ciencia de los materiales. Todos ellos se clasifican en sistemas ferro-, ferri-, antiferro-, para-, díamagnéticos, helicoidales, vidrios de espín y varias categorías más.
El beneficio que esta ciencia y tecnología ha brindado a la humanidad, va desde la navegación, por más de mil años, la fabricación y el descubrimiento de gran cantidad de materiales magnéticos, la industria múltiple, el comercio y la salud, aparte de la excitante aventura que brinda descubrir y revelar los secretos más íntimos de la atracción magnética.
Continuemos pues con este breve viaje por la historia de los primeros descubrimientos, las invenciones, es decir, por el de desarrollo entrelazado que caracteriza a la ciencia y tecnología del magnetismo.

SU DESCUBRIMIENTO

El origen del descubrimiento del fenómeno magnético no puede asignarse a un solo lugar o pueblo; además, diversas leyendas envuelven su origen. La más extendida de ellas nos dice que ciertas piedras, muy abundantes en Magnesia, región de Grecia, atraían fuertemente objetos de hierro y de aquí se le dio el nombre de magnetita a dicho mineral. En otra se dice que el pastor Magnes, de allí magnetismo, se quedó pegado a la tierra, ya que los clavos de sus sandalias fueron atraídos muy fuertemente por estas piedras. En otras leyendas se habla de estatuas de hierro suspendidas en el aire debido a su colocación en domos magnéticos.
Una vez conocido el fenómeno magnético por el hombre, se dieron dos desarrollos en extremo importantes a partir de él: uno tecnológico -su uso práctico, la brújula- y otro de conocimiento -explicativo del fenómeno.

LA BRÚJULA

El inventor de la brújula es desconocido. De acuerdo con ciertas tradiciones chinas, se menciona el uso de una especie de brújula en el siglo XII aC, pero no es sino hasta finales del siglo XII dC, que se tiene la referencia concreta a un compás marítifflo. La leyenda dice que Hoang-ti, fundador del imperio chino, perseguía con sus tropas a un príncipe rebelde y se perdió en la niebla. Para orientarse, construyó una «carroza del sur», especie de brújula en la cual una figura de mujer siempre apuntaba hacia el sur. Así atrapó a los rebeldes. Esta sería quizá, una de las primeras aplicaciones del magnetismo a la tecnología de guerra. Se tenía la creencia de que la brújula fue llevada por los árabes desde China al Mediterráneo, donde fue vista por primera vez por los europeos en las cruzadas (otra vez, otra guerra), pero investigaciones más recientes ya no aseguran tal dato.

Los chinos con certeza conocieron la propiedad de direccionar la magnetita, pero su aplicación (de indicar norte y sur) parece que se confinó a su uso sólo en tierra. El primer reporte del uso de un compás para la navegación viene de un escritor chino, Chu Yu, quien apuntó que ‘navegantes extranjeros’ la empleaban en barcos entre Canton y Sumatra. La referencia europea más temprana está dada por Alexander Neckam (11571217), un monje inglés de St. Albans, que muestra agujas pivoteadas marcando la ruta en su libro De Utensilibus, pero no menciona que se trate de un invento nuevo. Esto por sí solo implica una cierta familiaridad con la brújula, no sólo por parte de él mismo, sino también por sus contemporáneos.

En 1926, Petrus Peregrinus de Maricourt, un cruzado francés, dio la primera descripción detallada de la brújula. Además contribuyó con un avance tecnológico importante, pues describió con detalle una nueva brújula pivoteada de un tipo muy cercano al actual. Pero eso no fue todo: hizo un descubrimiento de importancia mayúscula; en 1269, en su epístola a Sygerius de Foucaucort, hace un relato lúcido y sucinto de los experimentos que llevó a cabo y sus resultados. En opinión de algunos, éste es el primer informe científico, en el sentido moderno de la palabra, en que con detalle relata la completa analogía entre las líneas de los meridianos de la tierra con las de una esfera de magnetita sensada o barrida punto a punto por una brújula.

Estas líneas sobre la esfera se juntaban en sólo dos puntos que por analogía llamó polos norte y sur de la esfera. También observa que la manera en que los objetos de hierro son atraídos por la esfera depende únicamente de esos dos polos norte y sur de la esfera de magnetita. A partir de aquí, observa que el polo norte y el polo sur se atraen, que polos iguales se repelen, y que al fragmentar un trozo de magnetita, siguen apareciendo dos polos magnéticos. Observación de un gran significado que vino a ser apreciado cientos de años después, hasta la formulación de la teoría electromagnética en el siglo XIX, Así, el invento, la brújula-instrumento, basada en el descubrimiento, la magnetita, impulsó nuevos descubrimientos científicos.

PRIMERAS TEORÍAS DEL MAGNETISMO

Regresando ahora a las explicaciones y teorías que se han dado del fenómeno magnético, no es de extrañar que los testimonios escritos más antiguos se los debamos al pueblo griego, pues fue una civilización caracterizada por un gran interés y un aguda observación de la naturaleza, sin escapárseles las propiedades de la materia (tierra, agua y aire) incluyendo los minerales ámbar y magnetita. Los pensadores griegos basaron sus explicaciones en la observación y en la experimentación del mundo exterior a través de sus cinco sentidos; encuadraban los fenómenos naturales dentro de esquemas filosóficos preconcebidos. Tales de Mileto, alrededor del año 600 aC1 ya hablaba del imán en forma detallada. Esto no excluye que ya se conociera por otros pueblos. Platón (428-348 aC), en su diálogo lón, hace decir a Sócrates que la magnetita no sólo atrae anillos de hierro, sino que los imparte un poder similar para atraer a otros, para formar de esta manera cadenas de anillos colgados unos de otros. Éstos son los llamados anillos de Samotracia, isla griega donde los mineros habían descubierto este fenómeno, ahora conocido como ‘magnetización por inducción’. Ya mencionamos la explicación atomicista de Lucrecio Caro a través de emanaciones o efluvios.

Campo magnético de la Tierra

LA TIERRA ES UN GRAN IMÁN

¡ El siguiente paso significativo se dio hasta principios del siglo XIII con los trabajos de Neckam de St. Albans y luego en 1269 con los trabajos de Pedro Peregrino de Maricourt, ya mencionados. Poco progreso se registró después, hasta los trabajos de William Gilbert (1540-1603), un nativo de Colchester, Inglaterra, que estudió medicina en Cambridge y fue médico en la corte de la reina Isabel I. William Gilbert extendió las observaciones de Peregrinus; se dice que es el fundador de la ciencia del magnetismo. Su obra conocida como De Magnete publicada en el año de 1600 y que consta de seis libros, es considerada como uno de los trabajos claves en la revolución científica de la época. Entre otras cosas, descubrió por qué la aguja de una brújula se orienta en una dirección definida: llegó a la conclusión de que la tierra es un gran imán ella misma dado que el polo norte de la brújula es atraído al polo norte geográfico de la tierra, este polo norte geográfico es realmente el polo sur magnético. Y siguió más lejos: consecuentemente, cada magneto sobre la superficie de la tierra se comporta como la brújula sobre la esfera de magnetita de Peregrinus. Una vez entendido que la tierra tiene dos polos magnéticos, todas las observaciones podían explicarse suponiendo que las fuerzas sobre un magneto se concentran exclusivamente en los polos. De esta manera, el proceso de clarificación y abstracción continuó. Toda la potencia de un magneto está concentrada en sus polos y las fuerzas desarrolladas entre magnetos pueden verse entonces simplemente como la resultante de las fuerzas entre cada uno de los polos. Así se preparó el terreno para la medición cuantitativa de esta fuerza. Sólo había que esperar la invención del instrumento que midiera tales fuerzas.

Pero ¿por qué o para qué medirlas, si la escuela griega de pensamiento ya enmarcaba los fenómenos de la naturaleza en un esquema filosófico mecanicista preconcebido? Resulta que el gran problema de todas las teorías del magnetismo hasta entonces enunciadas, incluyendo la última del gran filósofo y matemático René Descartes (1596-1659), descrita en su Principia, otra teoría de vórtices, versión actualizada de los efluvios de los clásicos, es que ninguna de ellas resistió la comparación con los resultados de W. Gilbert. La curiosidad humana quedábase insatisfecha. Sin embargo, esto no obstaculizó la consolidación de Europa, ya para esos tiempos con una industria bien desarrollada de brújulas e imanes permanentes.

NACE LA CIENCIA MODERNA DEL MAGNETISMO

El paso clave teórico, para la ciencia como un todo, y para el magnetismo en particular, ocurrió justamente en esta época en que se tomó a las matemáticas como el lenguaje de la ciencia. Así lo reconoció y aplicó Galileo en 1590 y muchos otros después de él. Este nuevo enfoque, estimuló la cuantificación de las observaciones de los fenómenos naturales. En magnetismo, el monje Marsenne, un amigo de Descartes, inició la cuantificación de los resultados de W. Gilbert. Pero no es sino hasta 1750 que John Michell inventó la balanza de torsión y pudo constatar que la atracción o repulsión de los imanes disminuye cuando el cuadrado de la distancia entre los polos aumenta y se expresa así, matemáticamente, la fuerza magnética. De ella nace el concepto de campo magnético y éste da origen a nuevas teorías y al desarrollo que podríamos llamar «moderno» de la ciencia del magnetismo, como parte de la teoría más general electromagnética. En esta descripción histórica continuaríamos con nombres como los de Simon Denis Poisson, Charles Coulomb, Karl Friedrich Gauss, André Marie Ampére, Joan Baptiste Biot, Félix Savart, Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Hertz, Ising. Weiss, Zeeman, Van Vleck etcétera, y en el desarrollo científico, con la transición de la física clásica a la física cuántica a principios de este siglo. El desarrollo moderno del magnetismo es mucho más extenso y podrá ser comentado en otra ocasión.

Baste decir que en la actualidad se tiene bien establecido que el origen de todo campo magnético es una de dos fuentes; cargas eléctricas en movimiento, es decir, con velocidad diferente de cero, o bien, campos eléctricos variables en el tiempo. Nótese la interrelación entre el fenómeno magnético y el eléctrico: por esto se llama electromagnetismo. Para átomos y moléculas, este origen significa que el movimiento orbital de los electrones, esto es, el momento angular orbital L genera un momento magnético uL; y el momento angular de espín S genera un momento magnético de espín us y la suma vectorial de todos ellos da la característica de magnetización de cada material. Así, podemos decir que el magnetismo de un material es al átomo como el día es al sol.