La Física no deja de avanzar

Es verdaderamente meritorio el enorme avance que en tan poco tiempo ha dado la Humanidad, en el campo de la Física. La disciplina científica de Física ha seguido caminos que han hecho posible aplicar los descubrimientos al bienestar general en la vida cotidiana de la Sociedad Humana y, no pocos de esos avances han estado dirigidos al campo de la Medicina con la que, la Física ha colaborado de manera estrecha. También se han ido desarrollando nuevos conceptos y nuevas teorías (algunas más afortunadas que otras) que han hecho posible continuar avanzando hasta unos niveles verdaderamente deslumbrantes.

En mecánica cuántica, la estructura del átomo se explica por analogía con un sistema de ondas estacionarias. Gran parte de los avances de la física moderna se basan en elaboraciones de la teoría de las ondas y el movimiento ondulatorio. Otra vez la doble personalidad de la luz, onda-partícula, ¿que secretos no estarán encerrados en la esencia del fotón y del electrón? ¿Tendrá razón nuestro contertulio Tom Wood y nos dará una agradable sorpresa con su Teoría Luz-Luz? Sería una agradable sorpresa.

En poco más de un siglo y medio, se ha pasado de la oscuridad más absoluta (conceptos básicos eran desconocidos), a una claridad, no cegadora aún, pero sí aceptable.  Son muchos los secretos de la Naturaleza física que han sido desvelados y el ritmo, parece que se mantiene a un nivel muy alto. De hecho, es exponencial, cada vez se avanza más en menos tiempo.

¡ El Tiempo !, ese preciado bien está a nuestro favor.  Sólo tenemos que ir pasando el testigo para alcanzar las metas propuestas. Pongamos nuestras esperanzas en que seamos responsables y tomemos las dicisiones correctas en cada momento, sabiendo utilizar de manera adecuada, esos nuevos descubrimientos que nos llevarán hacia el futuro.

Cuestiones “sencillas” de entender para los iniciados y, a veces, muy complejas para la gente corriente.  Por tal motivo, si escribo sobre estos interesantes temas, mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico.  No siempre lo consigo.

Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo. Hasta un diminuto (no por ello menos importante) electrón, crea, con su oscilación, su propio campo magnético, y,  aunque pequeño,  se le supone un tamaño no nulo con un radio r_o, llamado el radio clásico del electrón, dado por r₀ = e²/(mc²) = 2,82 x 10^-13 cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente del electrón y c es la velocidad de la luz.

También, dentro de este maravilloso planeta nuestro, aparte de otros magnetismos que pudieran estar presentes, está el nuestro, el de los seres vivos y, sobre todo, hablando de los racionales, ese magnetismo se puede dar de dos maneras: El Amor, que irremisiblemente nos atrae, o, el Odio, que al sentirlo sobre otra persona nos repele con la misma fuerza. ¡Qué extraños somos!

Pero sigamos hablando de Física. Por ejmplo, quiero explicar el magnetismo y digo:

Grupo de fenómenos asociados con los campos magnéticos.  Siempre que una corriente eléctrica fluye, se produce un campo magnético; como el movimiento orbital de un electrón, y el espín de los electrones atómicos son equivalentes a pequeños circuitos de corriente, los átomos individuales crean campos magnéticos a su alrededor cuando los electrones orbitales tienen un momento magnético neto como resultado de su momento angular.  El momento angular de un átomo es el vector suma de los momentos magnéticos de los movimientos orbitales y de los espines de todos los electrones en el átomo.

MECANICA ONDULATORIA DE SCHRÖDINGER:

Partiendo de las ideas de Planck y Louis de Brogli (1892-1987) y aplicando las matemáticas de William Rowan Hamilton (1805-1865), Erwin Schrödinger (1887-1961) desarrolló un modelo matemático en donde aparecen tres parámetros: n, l, y m; no fijó trayectorias determinadas para los electrones, soló la probabilidad de que se hallen en una zona explica parcialmente los espectros de emisión de todos los elementos. Sin embargo, a lo largo del siglo XX han sido necesarias nuevas mejoras del modelo para explicar otros fenómenos espectrales.

Orbitales: los elementos con diversos valores de momento angular ocupan regiones del espacio como éstas. La intensidad del sombreado indica la probabilidad de encontrar un electrón a esa distancia. El modelo atómico de Schrödinger abandonó la idea de órbitas precisas y las sustituyó por descripciones de las regiones del espacio (llamadas orbitales) donde es más probable que se encuntren los electrones.

Las propiedades magnéticas macroscópicas de una sustancia tienen su origen en los momentos magnéticos de sus átomos o moléculas constituyentes.  Diferentes materiales poseen distintas características en un campo magnético aplicado; hay cuatro tipos de comportamiento magnético:

1) En diamagnetismo, la magnetización está en la dirección opuesta a la del campo aplicado, es decir, la susceptibilidad es negativa.  Aunque todas las sustancias son diamagnéticas, es una forma débil de magnetismo que puede ser enmascarada por otras formas más fuertes.  Tiene su origen, en los cambios inducidos por los campos aplicados en las órbitas de los electrones de una sustancia, siendo la dirección del cambio opuesto a la del flujo aplicado (de acuerdo con la ley de Lenz).

Existe, por tanto, una débil susceptibilidad negativa (del orden de -10^{-8 m3} moL^-1) y una permeabilidad relativa ligeramente menor que uno.

Un ferrofluido es un líquido que reacciona en presencia de un campo magnético. Basicamente se puede decir que se imanta, es exactamente lo mismo que pasa cuando acercas un clavo a un iman, solo que no poseen ferromagnetismo, osea que no poseen la capacidad de mantener la fuerza magnetica una vez retirado el iman.

El ferro-magnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido.

• Los ferrofluidos suelen utilizarse en altavoces para disipar el calor entre la bobina y el imán, así como amortiguar pasivamente el movimiento del cono.
• También se emplean para formar sellos líquidos que rodean las flechas giratorias de los discos duros.
• Se utilizan en la impresión de tinta por chorro, control de carátulas alfa-numéricas, etc.
• En la medicina, los ferrofluidos son capaces de detectar ciertos canceres y tambien puede ser utilizado para prevenir la ceguera. Es una nueva forma para tratar el desprendimiento de la retina que está siendo estudiada.
• Los amortiguadores de la suspensión de un vehículo pueden llenarse con ferrofluido en lugar de aceite convencional, rodeando todo el dispositivo con un electroimán, permitiendo que la viscosidad del fluido (y por ende la cantidad de amortiguamiento proporcionada por el amortiguador) puedan ser variadas de acuerdo a preferencias del conductor.

Los materiales para-magnéticosno presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que los constituye actúa como un pequeño imán.

2) En paramagnetismo, los átomos o moléculas de la sustancia tienen momentos magnéticos orbitales o espín que son capaces de estar alineados en la dirección del campo aplicado.  Estos, por tanto, tienen una susceptibilidad positiva (aunque pequeña) y una permeabilidad relativa ligeramente mayor que uno.  El paramagnetismo aparece en todos los átomos y moléculas con electrones desapareados; es decir; átomos libres, radicales libres y compuestos de metales de transición que contienen iones con capas de electrones no llenas.

También ocurre en metales como resultado de momentos magnéticos asociados a los espines de los electrones de conducción.

                                                          Interacción del viento solar con el campo magnético de la Tierra y consecuencias.

El campo magnético terrestre presente en la Tierra no es equivalente a un dipolo magnético. sino que  presenta otro tipo especial de magnetismo. Es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y está presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol.

Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos (orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.

3) En sustancias ferromagnéticas, dentro de un cierto rango de temperaturas, hay momentos magnéticos atómicos netos, que se alinean de forma que la magnetización persiste después de eliminar el campo aplicado.

Por debajo de una cierta temperatura, llamada el punto de Curie ( o temperatura de Curie), un campo magnético en aumento aplicado a una sustancia ferromagnética causará una magnetización creciente hasta un valor máximo, llamado la magnetización de saturación.  Esto es debido a que una sustancia ferromagnética está constituida por pequeñas regiones magnetizadas (1-0,1 mm de ancho) llamadas dominios.

El momento magnético total de la muestra de sustancia es el vector suma de los momentos magnéticos de los dominios constituyentes.  Dentro de cada dominio los momentos atómicos individuales se alinean espontáneamente por fuerzas de intercambio, que dependen de si los espines de los electrones atómicos son paralelos o antiparalelos.

Sin embargo, en un trozo no magnetizado de material ferromagnético los momentos de los dominios no están alineados; cuando un campo externo es aplicado, esos dominios que están alineados con el campo aumentan de tamaño a expensas de otros.

En un campo muy intenso todos los dominios se alinean en la dirección del campo y producen la alta magnetización observada.  El hierro, el níquel, el cobalto y sus aleaciones son ferromagnéticos.  Por encima del punto de Curie, los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos.

Como hemos podido ver el paramagnetismo se parece al ferromagnetismo pero es mucho más débil. Metales como el aluminio o el wolframio son paramagnéticos. Con estos datos es realmente fácil entender cómo funciona un detector de metales. un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán casero con nuestro cable) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera

El paramagnetismo se parece al ferromagnetismo pero es mucho más débil. Metales como el aluminio o el wolframio son paramagnéticos.

Con estos datos es realmente fácil entender cómo funciona un detector de metales. un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán casero con nuestro cable) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera un campo magnético. Este campo magnético atrae a los materiales ferromagnéticos, repele a los antiferromagnéticos y a los diamagnéticos y atrae aunque de una forma más sutil a los paramagnéticos. Cuando el detector “nota” que el campo magnético que genera produce uno de estos efectos pita.

Antiferromagnetismo

Concepto:Cuando el ordenamiento de los momentos magnéticos es en la misma dirección pero en sentidos opuestos, por ejemplo por pares, se produce el denominado antiferromagnetismo.

4) Algunos metales, aleaciones y sales de elementos de transición muestran otro tipo de magnetismo llamado antiferromagnetismo.  Esto ocurre por debajo de cierta temperatura, llamada la temperatura de Néel, a la cual se forma espontáneamente una red ordenada de momentos magnéticos atómicos en la que momentos alternos tienen direcciones opuestas.  No hay, por tanto, momento magnético resultante en ausencia de un campo aplicado.

En el fluoruro de manganeso, por ejemplo, esta disposición antiparalela ocurre por debajo de una temperatura de Néel de 72 K.  Por debajo de esta temperatura, el ordenamiento espontáneo se opone a la tendencia normal de los momentos magnéticos de alinearse con el campo aplicado.  Por encima de la temperatura de Néel la sustancia es paramagnética.

Es una solución sólida intersticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro. Admite hasta un 0,021 % C en solución a la temperatura eutectoide. Es el constituyente más blando del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm² (2,7 MPa). Es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768ºC. A partir de esta temperatura hasta los 910ºC su comportamiento es paramagnético, por lo que antigua y equivocadamente se le creyó otra fase denominándosele hierro beta.

La morfología y estructura granular de la ferrita es muy variada pudiéndose encontrar hasta 24 términos descriptivos de la misma. Sin embargo, son dos las morfologías que conviene destacar (Fig. 1): Morfología equiaxial y (fig. 2): estructura de Widmanstätten.

Ferritas: La morfología equixial corresponde a granos poligonales de ejes aproximadamente iguales, que resultan a veces atacados diferentemente en función de su orientación cristalográfica respecto a la superficie de observación.

En la estructura Widmanstatten un enfriamiento rápido desde altas temperaturas obliga a un crecimiento de la ferrita según ciertas direcciones preferenciales, resultando granos alargados en dichas direcciones del grano de austenita previo.

Una forma especial de antiferromagnetismo es el ferrimagnetismo, un tipo de magnetismo mostrado por las ferritas (arriba figuras 1 y 2).  En estos materiales, o bien los momentos magnéticos de los iones adyacentes son antiparalelos y de intensidad desigual, o bien el número de momentos magnéticos en una dirección es mayor que el número de los que hay en la dirección opuesta.

Mediante una adecuada elección de los iones de tierra raras en las redes de ferrita es posible diseñar sustancias ferrimagnéticas con magnetizaciones específicas para su uso en componentes electrónicos.

Si una barra de imán es suspendida en cualquier punto de la superficie terrestre, de forma que se pueda mover libremente en todos los planos, el polo Norte del imán apuntará en una dirección aproximadamente al Norte.  El ángulo (D) entre la dirección horizontal a la que apunta y el meridiano geográfico en ese punto se llama la declinación magnética.  Se toma positiva al Este del Norte geográfico y negativa al Oeste.  La aguja no estará horizontal salvo en el ecuador magnético.  En todos los demás lugares formará un ángulo (/) con la horizontal, llamado la inclinación magnética.

En todos los polos magnéticos /= 90° (+90° en el polo Norte, -90° en el polo Sur), y la aguja será vertical.

Las posiciones de los polos, que varían con el tiempo, eran en los años setenta aproximadamente 76, 1 ° N, 100° W (N) y 65, 8° S, 139° E (S).  El vector intensidad F del campo geomagnético se determina por I, D y F, donde F es la intensidad magnética local del campo medida en gauss o tesla, o lo que es igual a: 1 gauss: 10^-4 teslas). F, I y D, junto con las componentes vertical y horizontal de F y sus componentes Norte y Este, son llamados los elementos magnéticos.

Lo cierto es que, ese fenómeno natural creado por la física de la Tierra, nos permite estar aquí, a salvos de la miríada de partículas nosivas que nos podrían caer encima y destruirnos, el campo magnético y la capa de ozono nos preserva de la lluvia nosiva para la que, de momento, no hemos encontrado muchas soluciones, sino, que le pregunten a los astronáutas que visitan el espacio exterior y se exponen a todo tipo de radiaciones.

Esta explicación del geomagnetismo, podría ser más larga y completa, con muchos más datos técnicos y matemáticos.  Sin embargo, ¿ a quien le gustaría ? A eso me refería cuando decía: “… primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico.   No siempre lo consigo.” Si a continuación pongo un ejemplo práctico y explico el magnetismo de manera muy técnica y completa estoy seguro que aburriría a todos, así que mejor lo dejamos así.

Los campos electromagnéticos artificiales perturban el magnetismo natural terrestre y el cuerpo humano sufre cambios de sus ritmos biológicos normales pudiendo sucumbir a diferentes enfermedades. Por tal motivo, en algunos centros de trabajo (el LHC, por ejemplo), en algunas circunstancias se toman medidas especiales para evitar tales influencias.

El lector de ciencia no iniciado, no quiere estas complejidades que, por muy perfectas que puedan resultar técnicamente hablando, siempre les resultaran aburridas, tediosas y lo que es peor, incomprensible. Recuerdo aquel amigo escritor de ciencia que me decía: “Cada ecuación que pongo en un libro me quita diez lectores”.

Los buenos escritores-divulgadores de la ciencia, deben contar los fenómenos naturales revistiéndolos de un atractivo y misterioso halo mágico que se desvela ante sus ojos produciéndoles asombro y sorpresa ante tales maravillas.

Incluso la caída de una gota de agua, observada al microscopio electrónico, puede resultar una auténtica maravilla. Ahí, aunque parezca mentira, también está presente el magnetismo y, la figura que podeis contemplar llena deextraña belleza, es una de las tantas obras que na Naturaleza puede crear y que no siempre los humanos podemos comprender. ¿Será casualidad ese corazón que ha surgido como por arte de magia?

Si contamos la historia de una estrella, desde que nace a partir del gas, el proceso que sigue hasta convertirse en otro objeto estelar diferente, al oyente, le resultará atractivo o pesado, interesante o incomprensible, según quien y como lo cuente.

Nace una de las mayores estrellas de la Vía Láctea. La ESA nos presenta los primeros hallazgos del Telescopio Herschel, lanzado hace ahora 1 año. En la Imagen, podemos contemplar como, en las densas nebulosas moleculares de hidrógeno se están ionizando las partículas al ser bombardeadas por la radiación proveniente de la nueva estrella que trata de nacer en esa especie de burbuja de celeste aún desvaido que irá, tomando fuerza a medida que se consolide como protoestrella y comience a radiar fuertemente en ultravioleta de cuyos vientos solares se verá, esas regiones transformadas.

Imagen de una estrella en formación dentro de la Nebulosa

Me preocupa, cuando escribo, que lo que estoy contando pueda aburrir al posible lector.  En mi caso, que no superviso de manera previa mis pensamientos y tal como nacen los escribo, es posible que en alguna ocasión mis escritos aburran, pero nunca ha sido mi intención y, si así ocurre, pido disculpas.

emilio silvera

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