La Física nos dirá cómo es el “mundo”

La ciencia que estudia las leyes que determinan las estructura del Universo con referencia a la materia y la energía de la que está constituído. Se ocupa no de los cambios químicos que ocurren, sino de las fuerzas que existen entre los objetos y las interrelaciones entre la materia y la energía. Tradicionalmente, el estudio se dividía en campos separados: calor, luz, sonido, electricidad y magnetismo y mecánica (Física clásica).

Desde el siglo XX, sin embargo, la Mecánica cuántica y la Física relativista han sido cada vez más importantes; el desarrollo de la Física moderna ha estado acompañado del estudio de la Física atómica, Física nuclear y Física de partículas…

La Física de cuerpos astronómicos y sus interacciones recibe el nombre de Astrofísica, la Física de la Tierra, recibe la denominación de Geofísica, y el estudio de los aspectos Físicos de la Biología se denomina Biofísica.

Aquí, generalmente comentamos sobre la Física pura en sus dos versiones de la Relatividad y la Mecánica Cuántica que engloba ese universo particular de lo microscópico donde se mueven las partículas que conforma todo aquello que podemos observar en el Universo y que llamamos la Materia Bariónica, y, al mismo tiempo, nos ocupamos de la interrelación que entre los cuerpos físicos ocurren y las fuerzas que están presentes, así como, de las constantes universales que en nuestro universo, son las responsables de que todo funcione como lo hace.

Hablamos de física, y para animar el ambiente, a continuación os pongo la constante de Planck en sus dos versiones, h y ħ; la igualdad masa-energía de Einstein, la constante gravitacional de Newton, la constante de estructura fina (137) y el radio del electrón.

• Constante de Planck: h = E/v
• Constante de Planck racionalizada: ℎ = h/2π
• Igualdad masa-energía: E = mc²
  
• Constante gravitacional: F = m₁m₂G/d²
  
• Constante de estructura fina: α = 2πe²/hc
• Radio del electrón: r₀ = e²/mc²

¡Me encantan sus mensajes!

Es verdaderamente meritorio el enorme avance que en tan poco tiempo ha logrado la Humanidad en el campo de la física. En aproximadamente un siglo y medio, se ha pasado de la oscuridad 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 muy meritorio ritmo.

¡El tiempo!, ése precioso bien está a nuestro favor. Sólo tenemos que ir pasando el testigo para alcanzar las  metas propuestas. Pongamos nuestras esperanzas en que no seamos tan irresponsables como para estropearlo todo.

Astronomía, gravedad o electromagnetismo; 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. Por ejemplo, expliquemos el magnetismo.

                                                                                     Magnetismo

Grupo de fenómenos asociados a 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.

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 comportamientos magnéticos.

a)          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 introducidos por los campos aplicados en las órbitas de los electrones de una sustancia, siendo la dirección del cambio opuesta a la del flujo aplicado (de acuerdo con 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 1.

b)           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. Éstos, por tanto, tienen una susceptibilidad positiva (aunque pequeña) y una permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1.

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.

c)          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 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 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 magnéticos 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 magnéticos 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.

Este gráfico muestra la precisión atómica del antiferromagnético a escala atómica con la punta de un microscopio de efecto túnel. Los átomos de hierro se colocan sobre una superficie de nitruro de cobre y obligado por dos átomos de nitrógeno (barras azules) en un arreglo regular separados por un átomo de cobre (amarillo).

d)          Algunos metales, aleaciones y sales elementales de transición, muestran otro tipo de magnetismo llamado antiferromagnetismo. Esto ocurre por debajo de cierta temperatura, llamada 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.

Una forma especial de antiferromagnetismo es el ferrimagnetismo, un tipo de magnetismo mostrado por las ferritas. 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 tierras raras en las redes de ferrita es posible diseñar sustancias ferrimagnéticas con magnetizaciones específicas para su uso en componentes electrónicos.

Si nos queremos referir al geomagnetismo, estaremos hablando de la ciencia que estudia el campo magnético terrestre.

Si una barra de imán es suspendida en cualquier punto de la superficie terrestre, de forma que se pueda mover libremente en todos sus 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 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 inclinación magnética.

En todos los polos magnéticos / = 90º (+90º en el polo norte y -90º 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, 1º N, 100º W (N) y 65, 8º S, 139º 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 teslas (1 gauss = 10^-4 teslas). F, I y D, junto con las componentes verticales y horizontales de F y sus componentes norte y este, son llamados los elementos magnéticos.

Esta explicación del geomagnetismo podría ser más larga y completa, con muchos más datos técnicos y matemáticos, sin embargo, ¿a quién le gustaría? A eso me refería antes cuando decía “…mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico. No siempre lo consigo.“

                                    Si el tema no interesa… cada cual irá a lo suyo

Si a continuación pongo un ejemplo práctico y explico el magnetismo de manera muy técnica y completa, que seguramente no sea del interés del lector de ciencia no iniciado. Éste no quiere estas complejidades que, por muy perfectas que puedan resultar técnicamente hablando, siempre les resultarán aburridas, tediosas, y lo que es peor, incomprensibles.

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

Si contamos la historia de una estrella, desde que nace a partir del gas y del polvo cósmico hasta que muere en una explosión de supernova para convertirse en otro objeto estelar diferente, al oyente le resultará atractivo o pesado, interesante o incomprensible, según quién y cómo lo cuente.

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 pueda aburrir. Pido perdón por ello.

emilio silvera

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