La mayoría de nosotros estamos familiarizados con las propiedades más obvias de los imanes y las agujas de brújula. Un imán, a menudo en forma de una barra corta de hierro, atraerá pequeñas piezas de hierro, como clavos y clips para papel. Dos imanes se atraerán o se repelerán, dependiendo de su orientación. Si se coloca un imán de barra en una hoja de papel y las limaduras de hierro se dispersan alrededor del imán, las limaduras de hierro se organizan de una manera que nos recuerda las líneas de campo eléctrico que rodean un dipolo eléctrico. Con todo, un imán de barra tiene algunas propiedades que son bastante similares a las de un dipolo eléctrico. La región del espacio alrededor de un imán dentro del cual ejerce su influencia mágica se llama campo magnético , y su geometría es bastante similar a la del campo eléctrico alrededor de un dipolo eléctrico, aunque su naturaleza 19459003] parece un poco diferente, ya que interactúa con limaduras de hierro y pequeños trozos de hierro en lugar de con trozos de papel o bolas de médula.
La semejanza del campo magnético de un imán de barra con el campo eléctrico de un dipolo eléctrico a veces se demostró en la época victoriana por medio de un imán con punta de bola Robison, que era un imán con forma de algo así: [ 19459004]
( text {FIGURA VI.1} )
La geometría del campo magnético (demostrado, por ejemplo, con limaduras de hierro) luego se parecía a la geometría de un campo dipolo eléctrico. De hecho, parecía que un imán tenía dos polos (análogos, pero no iguales a, las cargas eléctricas), y que uno de ellos actúa como una fuente para líneas de campo magnético ( es decir, las líneas de campo divergen de él), y el otro actúa como un sumidero (es decir, las líneas de campo convergen hacia él). En lugar de llamar a los polos “positivo” y “negativo”, los llamamos arbitrariamente “polos norte” y “sur”, siendo el polo “norte” la fuente y el polo “sur” el sumidero. Al experimentar con dos o más imanes, encontramos que los polos similares se repelen y los polos diferentes se atraen.
También observamos que un imán suspendido libremente (es decir, una aguja de la brújula) se orientará de modo que un extremo apunte aproximadamente al norte y los otros puntos aproximadamente al sur, y son estos polos los llamados “norte” “Y” polos sur “del imán.
Dado que a diferencia de los polos se atraen, deducimos (o más bien William Gilbert, en su libro 1600 De Magnete, Magneticisque Corporibus, y de Magno Magnete Tellure dedujeron) que la Tierra misma actúa como un imán gigante , con un polo magnético sur en algún lugar del Ártico y un polo magnético norte en la Antártida. El polo magnético del Ártico se encuentra actualmente en la isla Bathurst en el norte de Canadá y generalmente está marcado en atlas como el “Polo Norte Magnético”, aunque magnéticamente es un sumidero , en lugar de una fuente. El polo magnético antártico se encuentra actualmente en alta mar frente a Wilkes Land en el continente antártico. El polo magnético antártico es una fuente , aunque generalmente está marcado en atlas como el “Polo magnético sur”. Algunas personas han abogado por llamar al final de una aguja de la brújula que apunta al norte el “polo de búsqueda del norte”, y el otro extremo al “polo de búsqueda del sur”. Esto tiene mucho que recomendar, pero generalmente, en su lugar, los llamamos los polos “norte” y “sur”. Desafortunadamente, esto significa que el polo magnético de la Tierra en el Ártico es realmente un polo sur magnético, y el polo en la Antártida es un polo norte magnético.
La semejanza del campo magnético de un imán de barra con un campo dipolo, y la muy semejanza cercana de un “imán con punta de bola Robison” a un dipolo, con una fuente puntual ( el polo norte) en un extremo y un punto de hundimiento (el polo sur) en el otro, sin embargo, es engañoso.
En verdad, un campo magnético tiene no fuentes y no se hunde. Esto incluso se expresa como una de las ecuaciones de Maxwell , div ( textbf {B} = 0 ), como una de las características definitorias de un campo magnético. Las líneas de fuerza magnéticas siempre forman bucles cerrados. Dentro de un imán de barra (incluso dentro de la biela de un imán Robison) las líneas del campo magnético se dirigen desde el polo sur hacia el polo norte. Si un imán, incluso un imán Robison, se corta en dos, no aislamos dos polos separados. En cambio, cada mitad del imán se convierte en un imán dipolar.
Todo esto es muy curioso, y las cosas se mantuvieron así hasta que Oersted hizo un descubrimiento sobresaliente en 1820 (se dice al dar una conferencia universitaria en Copenhague), que agregó lo que puede haber parecido una complicación adicional, pero que resultó ser en muchos sentidos una gran simplificación. Observó que, si se hace que una corriente eléctrica fluya en un cable cerca de una aguja de la brújula suspendida libremente, la aguja de la brújula se desvía. De manera similar, si una corriente fluye en un cable que puede moverse libremente y está cerca de un imán de barra fija, el cable experimenta una fuerza en ángulo recto con respecto al cable.
A partir de este momento entendemos que un campo magnético es algo que está principalmente asociado con una corriente eléctrica. Todos los fenómenos asociados con el hierro magnetizado, el níquel o el cobalto, y las “piedras preciosas” y las agujas de la brújula son de alguna manera secundarias al fenómeno fundamental de que una corriente eléctrica siempre está rodeada por un campo magnético. De hecho, Ampère especuló que el campo magnético de un imán de barra puede ser causado por muchos bucles de corriente circulante dentro del hierro. ¡Él estaba en lo correcto! – los pequeños bucles de corriente se identifican hoy con espín electrónico.
Si se considera que la dirección del campo magnético es la dirección de la fuerza sobre el polo norte de una aguja de la brújula, la observación de Oersted mostró que el campo magnético alrededor de una corriente tiene la forma de círculos concéntricos que rodean Actual. Por lo tanto, en la Figura VI.2, se supone que la corriente se aleja de usted en ángulo recto con el plano de la pantalla de su computadora (o del papel, si ha impreso esta página), y las líneas del campo magnético son círculos concéntricos alrededor de la actual,
( text {FIGURE VI.2} )
En el resto de este capítulo, ya no nos ocuparemos de los imanes, agujas de brújula y lodestones. Estos pueden venir en un capítulo posterior. En el resto de este capítulo nos ocuparemos del campo magnético que rodea una corriente eléctrica.