Cortar una barra magnética por la mitad no eliminará sus polos. Solo producirá dos imanes, cada uno con un polo norte que será atraído por el polo sur del otro imán, y viceversa.
Es esta propiedad fundamental de atracción lo que hace que los imanes sean útiles para tantos propósitos, desde sostener una invitación a una fiesta en un refrigerador hasta realizar imágenes médicas.
Pero, ¿cómo surgen estos polos? ¿Por qué los imanes tienen polos norte y sur?
Los imanes son «uno de los misterios más profundos de la física», dijo Greg Bobinger, director del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee, Florida. Mientras la gente ha estado usando imanes durante miles de añoslos científicos todavía están aprendiendo cosas nuevas sobre cómo funcionan.
La respuesta más básica de por qué los imanes tienen polos radica en el comportamiento de los electrones. Toda la materia, incluidos los imanes, está formada por átomos. En cada átomo, el núcleo está rodeado por uno o más electrones cargados negativamente. Cada uno de esos electrones genera su propio campo magnético diminuto, al que los científicos se refieren como «espín». Si suficientes de esos pequeños campos magnéticos apuntan en la misma dirección, el material en sí se vuelve magnético.
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El «giro» de un electrón es algo así como un concepto abstracto, dijo Boebinger a WordsSideKick.com. Técnicamente, nadie ha visto un electrón girando, es demasiado pequeño para ser visto bajo un microscopio. Pero los físicos saben que los electrones tienen un campo magnético porque lo han medido. Y una forma en que se podría generar ese campo es si el electrón estuviera girando. Invierta la dirección del giro y el campo magnético cambiaría.
Cuando sea posible, los electrones se aparean para que sus espines se cancelen, haciendo que el magnetismo neto de un átomo sea cero. Pero en algunos elementos, como el hierro, eso no puede suceder. La cantidad de electrones y la forma en que están posicionados alrededor del núcleo significa que cada átomo de hierro tendrá un electrón desapareado que genera un pequeño campo magnético.
En un material no magnetizado, estos campos magnéticos individuales apuntan en diferentes direcciones aleatorias. En ese estado, en su mayoría se cancelan entre sí, por lo que el material no es magnético en general. Pero bajo las condiciones adecuadas, los diminutos campos magnéticos subatómicos pueden alinearse para apuntar en la misma dirección. Uno podría pensar en esto como la diferencia entre una multitud de personas dando vueltas y todas organizándose y mirando en la misma dirección. La combinación de esos campos magnéticos muy pequeños crea un campo magnético más grande, por lo que el material se convierte en un imán.
Muchos de los imanes que se utilizan en la vida cotidiana, como los imanes de nevera, se conocen como imanes permanentes. En estos materiales, los campos magnéticos de muchos átomos en el material se alinearon permanentemente por alguna fuerza externa, como al ser colocados dentro de un campo magnético más poderoso.
A menudo, ese campo magnético más poderoso es creado por la electricidad. La electricidad y el magnetismo están fundamentalmente ligados, porque los campos magnéticos son generados por el movimiento de cargas eléctricas. Es por eso que un electrón que gira tiene un campo magnético. Pero los científicos también pueden aprovechar la electricidad para crear imanes muy poderosos, dijo paolo ferracin, científico sénior del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Pasar suficiente corriente a través de una bobina de alambre genera un campo magnético muy fuerte que dura mientras fluye la corriente. Estos electroimanes se usan a menudo en la investigación física, dijo Ferracin a WordsSideKick.com. También se utilizan en herramientas médicas como las máquinas de imágenes por resonancia magnética (IRM).
La Tierra también tiene su propio campo magnético: es lo que hace que la aguja de una brújula funcione. Los científicos han definido el polo norte de un imán como el extremo que apuntaría hacia el polo norte de la Tierra si el imán pudiera girar libremente. Pero técnicamente, explicó Boebinger, esto significa que el polo norte magnético de la Tierra es en realidad un polo sur magnético, ya que los polos opuestos se atraen.
En la convención física, las líneas del campo magnético fluyen hacia afuera desde el polo norte del imán y hacia su polo sur, formando un circuito cerrado.
Los físicos también han encontrado otras disposiciones de polos magnéticos, incluyendo cuadrupolos, en el que una combinación de polos magnéticos norte y sur están dispuestos en un cuadrado. Pero un objetivo sigue siendo difícil de alcanzar, dijo Ferracin: nadie ha encontrado todavía un monopolo magnético.
Los electrones y los protones son monopolos eléctricos: cada uno tiene una sola carga eléctrica, ya sea positiva o negativa. Pero los electrones (y también otras partículas) tienen dos polos magnéticos. Y debido a que son partículas fundamentales, no se pueden descomponer más. Esta diferencia entre la forma en que las partículas se comportan eléctrica y magnéticamente ha intrigado a muchos físicos y, para algunos, encontrar una partícula con un solo polo magnético es el santo grial. Su descubrimiento desafiaría las leyes de la física tal como las entendemos actualmente.