Voy a contestar tus preguntas, que tienen mucho que ver con el Geomagnetismo o Magnetismo Terrestre porque la Tierra es en principio un gigantesco iman, y lo primero que estudiamos es la interaccion entre imanes y sus principios.

Pregunta 1

1. Interacción entre polos

En la Grecia clásica se descubrieron las propiedades magnéticas de la llamada piedra imán o magnetita, llamada así por encontrarse los yacimientos más importantes en la región griega de Magnesia, en Tesalia.

Siglos más tarde, su uso en la navegación en forma de brújula, lo que propició un paso importante en la historia de la humanidad al desarrollar el comercio marítimo y el descubrimiento de nuevas tierras. Pero ¿por qué la magnetita posee tales propiedades?. ¿Qué es lo que hace que atraiga a otros metales?

Relación con la Electricidad

A principios del siglo XIX se conocían muchos fenómenos eléctricos y magnéticos, pero fue en 1820 cuando el científico danés Oersted descubrió la relación de la electricidad con el magnetismo.

Su experimento consistió en hacer pasar una corriente eléctrica> por un circuito muy próximo a una brújula. Lo que observó fue que al pasar la corriente eléctrica, la aguja de la brújula se desviaba de su posición de equilibrio, cesando dicha desviación al desconectar el circuito. Años más tarde, en 1831, el científico inglés Faraday observó el fenómeno contrario: que un campo magnético (producido por un imán) que varía con el tiempo es capaz de generar una corriente eléctrica. Estos dos hechos propiciaron un rápido desarrollo de la teoría electromagnética, culminando en 1873 con el establecimiento por parte de Maxwell de las ecuaciones que llevan su nombre y que describen el comportamiento de los campos eléctrico y magnético así como su interacción mutua.

El Interior

La experiencia cotidiana nos muestra que un imán posee dos polos, llamados positivo y negativo.

Asimismo, sabemos que si acercamos el polo positivo de un imán al polo negativo de otro, ambos van a atraerse, ocurriendo lo contrario si acercamos dos polos de igual signo. Actualmente se conoce el mecanismo por el cual el imán tiene sus propiedades. El "motor magnético" de su interior no son más que pequeñas microcorrientes eléctricas circulares, llamadas espiras, cuyo efecto global es producir una corriente superficial sobre el imán. Como hemos visto antes, esta corriente eléctrica va a generar un campo magnético, que es el responsable en definitiva de las propiedades atractivas (y repulsivas) de los imanes.

Dos Polos Inseparables

Quizás la característica más importante de los imanes es que no podemos separar nunca su polo positivo y su polo negativo, esto es, no podremos encontrar un monopolo magnético, a pesar de los esfuerzos realizados durante años por diversos equipos de investigadores. La razón para esto la tenemos en uno de los resultados teóricos a los que llegó Maxwell y que se expresa en una de sus famosas ecuaciones para el campo electromagnético: las líneas del campo magnético son cerradas. Esto quiere decir que las imaginarias líneas que emergen del polo positivo de un imán no acaban en cualquier parte del espacio, sino en el polo negativo, tal y como muestra el dibujo. Esto se puede comprobar experimentalmente de una manera muy sencilla.
Si colocamos un imán bajo un papel y esparcimos cuidadosamente sobre dicho papel limaduras de hierro, veremos que éstas se distribuirán sobre el papel en líneas cerradas que van del polo positivo al negativo. Esta experiencia nos va a mostrar también que la mayoría de las limaduras se van a concentrar en las proximidades de los polos, ya que allí será donde la fuerza magnética sea mayor.

Pregunta 2 - Procedimiento de imantación

En algunos materiales, a los que llamaremos materiales magnéticos, se observa que sus átomos o iones se comportan como si fuesen pequeños imanes que interactúan entre sí. En estos casos se dice que los átomos tienen un momento magnético diferente de cero, el cual se caracteriza por su magnitud y la dirección en la que está orientado. En lo sucesivo, a estos pequeños imanes los denominaremos espines magnéticos o simplemente espines.

Pero no todos estos materiales se comportan de la misma manera, debido a que sus propiedades magnéticas dependen de dos factores. Estos son: la magnitud de sus espines individuales, y la orientación relativa de éstos. Si los espines no tuviesen ninguna interacción, ya sea entre ellos o con sus alrededores, entonces cada uno de ellos podría apuntar en cualquier dirección, puesto que no tendría preferencia alguna. Sin embargo, en general, éste no es el caso: la orientación que tomará cada uno de ellos dependerá del balance de varios factores que pueden resumirse en factores internos y externos.

Como su nombre lo indica, los factores internos dependen de las características intrínsecas de cada material, esto es, del tipo de interacciones entre los espines. Por otro lado, los factores externos son los que están relacionados con el ambiente, es decir, que dependen de la interacción del sistema con sus alrededores. Como ejemplo de factores externos tenemos la posible existencia de un campo magnético producido por una fuente ajena al material, y por otro lado, de manera muy importante, la temperatura ambiental, ya que el medio ambiente funciona como una fuente de calor y agitación para el material.

Un ejemplo típico de un material magnético, que todos conocemos, es el de los imanes permanentes. En este caso, una gran parte de los espines está alineada permanentemente en la misma dirección relativa. Y aunque el campo producido por cada uno de estos espines es muy pequeño, al sumarse sus contribuciones individuales se produce un campo magnético que puede observarse macroscópicamente.

En el otro extremo tenemos los materiales paramagnéticos. En estos materiales los espines apuntan en direcciones totalmente azarosas, por lo que las contribuciones de los espines individuales tienden a anularse. Como consecuencia, a nivel macroscópico no se observa un campo magnético resultante. Sin embargo, existen localmente pequeños campos magnéticos producidos por los espines, y un pequeño "imán de prueba" sentirá las variaciones de este campo a lo largo del material.

Interacciones entre los espines

Las interacciones entre los espines son originadas por mecanismos diversos, algunos de los cuales no son del todo conocidos. Sin embargo, para nuestra discusión, únicamente es pertinente conocer el efecto de dichas interacciones, sin importar las causas que las originan. Lo que sí es necesario señalar es que debido a un principio muy general de la naturaleza, la orientación final de los espines será aquella en donde la energía libre del sistema sea mínima. Para explicar a qué nos referimos, haremos una analogía entre un par de espines microscópicos y dos imanes permanentes. Esta analogía nos permitirá hacernos una idea acerca de lo que sucede a nivel molecular.

Si tomamos dos imanes permanentes, observaremos que los extremos de uno y otro se atraen o se repelen, debido a que cada uno de ellos tiene dos tipos de polos magnéticos. Como consecuencia, si los ponemos en contacto veremos que tienden a alinearse de una cierta manera que resulta "natural" para ellos. Decimos entonces que los imanes han tomado su posición de mínima energía, o de equilibrio. Si ahora tratamos de girar uno de ellos 180°, veremos que necesitamos hacer un trabajo; esto es, dado que esta nueva posición es de energía mayor que la anterior, necesitaremos suministrar energía para lograr y mantener esta nueva posición, ya que en el momento en que dejemos de administrar esta energía extra, o sea, en cuanto dejemos de hacer fuerza para detener a los imanes y les permitamos girar libremente, éstos cambiarán de dirección y se alinearán de nuevo en su antigua dirección, esto es, regresarán a su estado de mínima energía.

Algo similar sucede a nivel microscópico con los materiales a que nos hemos referido, únicamente que en vez de tener un par de imanes, tendremos un número del orden de 10²³ (1 seguido de 23 ceros!!) pequeños imanes interactuando entre sí. Entonces, cada par de espines tratará localmente de orientarse de la forma más natural posible, es decir, de manera que la energía de ese par sea mínima. Como resultado de este proceso tenemos una gran diversidad de comportamientos en los diferentes materiales magnéticos

¿Recordás las características de los polos?

1. Los imanes presentan dos polos: uno Norte (N) y otro Sur (S)

2. Los imanes se orientan siempre de Norte a Sur.

3. De cortar un imán, siempre el mismo poseerá dos polos, uno Norte y otro Sur, es decir, los

polos de un imán nunca se pueden separar.

4. De acercar dos imanes por polos iguales estos se repelen, por polos contrarios se atraen.

IMANES NATURALES Y ARTIFICIALES

     Existen dos tipos de imanes: imanes naturales: son aquellos que se encuentran en la Tierra y que atraen al hierro, se denominan magnetita. Hoy sabemos que es hierro cristalino (Fe3O4). Pero también la Tierra es un imán natural.

Imanes artificiales: son cuerpos que han sido imanados en forma artificial. El hierro y el acero pueden ser magnetizados. El acero se magnetiza permanentemente, como lo podés comprobar con la aguja. Lo mismo sucede con las tijeras: si la dejas en contacto con el imán durante un rato, se magnetizarán. Compruébalo.

Pregunta 3: Magnetismo Inducido

Gilbert, que fue el primero en estudiar el magnetismo en forma científica en el 1600, sabía que los imanes podían atraerse o repelerse entre sí --polos iguales se atraen, polos opuestos se repelen, tal y como pronto aprenden la mayoría de los estudiantes. También saben que el hierro no magnético es atraído por los imanes.Sin embargo, Gilbert fue el primero en preguntarse Por quéocurre eso?

Encontró la respuesta en lo que conocemos como "magnetismo inducido", el hecho de que el hierro normal se convierte en un imán temporal cuando se le coloca cerca de uno permanente, con una polaridad que provoca la atracción. Tome un imán e introdúzcalo en una caja llena de alfileres: algunos alfileres se adhieren al imán, que es lo que quizás se esperaba. Pero unos alfileres se adhieren con otros que a su vez están unidos al imán: esto sugiere que los alfileres se convierten en magnéticos.

El método científico es intentar observar los fenómenos en un entorno controlado, sin influencias extrañas. Gilbert tomó tres barras idénticas A, B y C: la A era un imán, la B y la C eran de hierro común. Las colocó en fila y descubrió que ambas barras de hierro eran atraídas por la A. Luego retiró la barra del medio B y encontró que la C no era atraída: la que tiraba de ella no era el magnetismo permanente de la A, sino el magnetismo temporal de la B.

Pero, vayamos más allá!. Gilbert sabía que la repulsión era una indicación mucho másfiable del magnetismo que la atracción. Por consiguiente, suspendió cada una de las barras B y C de una cuerda, de tal forma que estuviesen cercanas, y colocó el polo de un potente imán a corta distancia por debajo de ellas. Las barras se repelían entre sí, mostrando que cada una se convertía en un imán temporal de la misma polaridad (o sea, el extremo de la barra cercano al polo del imán adquiría una polaridad opuesta a la del polo).

Así es como son los experimentos científicos.

Pregunta 4: Polos y líneas neutras de un imán

Los polos de un imán te lo explique antes (ver gráfico también). El imán no posee líneas neutras porque las líneas de fuerza, que también siguen dentro de él pues no terminan ni empiezan en su superficie, se refuerzan pues tienen la misma dirección.

Pregunta 5: Por qué pierde magnetismo un imán?

Un imán puede perder su imantación de dos formas:

• aplicando el frotamiento en sentido contrario o invirtiendo el sentido de la corriente, según sea el método que se usó para imanarlo.

• aplicándole calor.

Para que te entretengas, te doy algunas ideas para que juegues

Formá un grupo de trabajo con tres compañeros y fabriquen un imán, siguiendo las instrucciones que se encuentran a continuación.

MATERIALES
    -1 clavo

    -alambre de cobre sin recubierta de plástico

    -1 pila

    -1 aguja

    -1 imán recto

PROCEDIMIENTO
1. Frotá con el imán (siempre con el mismo polo) varias veces la aguja (30 veces aproximadamente), siguiendo siempre el mismo sentido desde el centro hacia la punta. Recuerda partir del centro de la aguja.

2. Acerca la aguja a alfileres o limaduras de hierro, verás que la aguja se imana.

3. Este es un método para fabricar un imán.

4. Tomá el alambre y enrróllalo en el clavo, dejando los extremos del alambre de unos 10 centímetros.

5. Conectá cada extremo del alambre a la pila y acercá el clavo a alfileres o limaduras de hierro.

6. Este es el otro método para fabricar un imán. Este tipo recibe el nombre de electroimán.

Observa y responde las siguientes preguntas

1. ¿Cuánto tiempo dura la imantación de la aguja?

2. Si desconectas el alambre de la pila, ¿permanece el clavo imanado?

3. Investiga en qué se usan los electroimanes

Construyan una brujula.

MATERIALES
    -1 aguja imanada

    -1 corcho

    -1 plato hondo con agua

PROCEDIMIENTO
1. Atraviesa el corcho con la aguja de manera que quede paralela al nivel de la mesa

2. Coloca el corcho con la aguja en el agua, de tal forma que la aguja no toque el agua

3.Observarás que la aguja se orienta de una determinada manera

1. La aguja se alinea con los polos norte y sur

Respondan las siguientes preguntas

1. Marca el extremo que apunta hacia el norte. Ahora acerca uno de los extremos del imán y comprobarás que los polos del mismo nombre se repelen y en cambio los de distinto nombre se atraen.

2. Acerca la aguja imantada al fuego y comprueba que pierde su imantación.

3. En tu casa se usan imanes, investiga en qué...

Geof. Iris Rosalía Cabassi

Dep. de Geomagnetismo