1. Cómo puede un imán mover un clip sin tocarlo
Acercas lentamente un imán a un clip de hierro sobre una mesa. Antes de que se toquen, el clip se mueve de golpe. No se ve nada entre el imán y el clip. Históricamente, existen dos formas de ver esta "fuerza que actúa sin contacto". La idea de que la fuerza llega directamente a un lugar lejano se llama acción a distancia. La idea de que la fuerza se transmite a través de cambios en un medio o "campo" entre los objetos se llama acción de proximidad [1]. Se considera que Faraday fue la primera persona en proponer la acción de proximidad, inspirado por observaciones experimentales [1]. ¿Qué vio Faraday para llegar a esa conclusión?
2. Qué muestra el polvo de hierro sobre un papel: las líneas alrededor de un imán
Faraday realizó un experimento para visualizar las líneas alrededor de un imán: aplicó cera derretida sobre un papel, espolvoreó suavemente polvo de hierro encima y colocó el imán debajo [3]. El polvo de hierro se alineó formando patrones de curvas suaves que se expandían desde los extremos del imán. Faraday llamó a estas líneas "líneas de fuerza magnética" y explicó que la disposición del polvo o de pequeñas agujas magnéticas mostraba las trayectorias generales del campo [2]. En 1851, conservó un dibujo hecho con polvo de hierro pegado en su cuaderno de laboratorio [2]. Se forman patrones incluso en zonas que no tocan el imán. Quizás el espacio "cerca" del imán no esté vacío. Pero, ¿existen realmente estas líneas en el espacio?
3. Líneas de fuerza y campo: qué preguntó Faraday y qué propuso Maxwell
En un artículo de 1852, Faraday se preguntó si el magnetismo era una "acción directa a distancia" o si la fuerza se transmitía mediante una acción física en el espacio intermedio [2]. La pregunta clave de la época era si las líneas de fuerza magnética tenían una existencia física real. Maxwell intentó explicar esto matemáticamente. El 8 de diciembre de 1864, leyó ante la Royal Society su "Teoría dinámica del campo electromagnético", definiendo el campo electromagnético como la parte del espacio que rodea y contiene a los objetos cargados eléctricamente o magnéticamente, y describiendo su funcionamiento mediante la idea de "campo" y ecuaciones [4]. Una interpretación de las líneas de fuerza es que representan la dirección y la intensidad del campo magnético. No son cuerdas físicas en el aire; es como si en cualquier punto de una pendiente estuviera definida la dirección y fuerza con la que rodaría una bola. Del mismo modo, en cualquier punto alrededor del imán, están definidas la dirección e intensidad del campo magnético. No es algo que se mueve como una onda, pero el campo real, a diferencia de la pendiente, no es visible.
4. Por qué la fuerza entre dos imanes cae tan rápido con la distancia
A partir de aquí, consideremos dos imanes de barra como un par de polos norte y sur alineados (un dipolo magnético), separados una distancia mucho mayor que la longitud del imán. Esto es distinto de la fuerza que atrae a un clip. La intensidad del campo magnético que un imán crea en el espacio circundante disminuye casi en proporción inversa al cubo de la distancia [6]. Esto puede investigarse con una brújula y un imán midiendo la relación entre la tangente del ángulo de desviación de la aguja (tanθ) y la distancia, con una precisión de alrededor del 10% [6]. Sin embargo, la fuerza que actúa entre dos imanes, en el rango de distancias mucho mayores que la longitud del imán, es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia [7]. Si la distancia se duplica, la fuerza es 1/16 (2 a la 4ª). Si se triplica, es 1/81. La luz de una bombilla se oscurece aproximadamente a 1/4 cuando la distancia se duplica. La fuerza magnética se debilita mucho más rápido que eso. La razón por la que la fuerza entre dos imanes muy separados disminuye tan bruscamente al alejarlos es esta caída abrupta. No obstante, esta relación no se cumple en distancias cortas. Los imanes tienen polos norte y sur; vistos desde lejos, las fuerzas de los dos polos se cancelan mutuamente. Por eso, la fuerza disminuye mucho más abruptamente que la de un solo polo (que sería inversamente proporcional al cuadrado de la distancia).
5. Cómo el concepto de campo también explicó la luz
En el mismo artículo, Maxwell declaró que la luz misma era una perturbación electromagnética que se propagaba como una onda a través del campo electromagnético [4]. Propuso que la luz era una perturbación electromagnética que se propagaba como onda. Esta predicción fue confirmada experimentalmente por Hertz en 1888 [5]. Así, al pensar en el fenómeno cotidiano de un imán atrayendo hierro, nació la idea del campo, lo que llevó a explicar la luz y las ondas de radio. La forma de pensar sobre el espacio alrededor de un imán condujo a la idea de explicar la luz como ondas electromagnéticas.
6. Cómo comprobar en casa el debilitamiento con un imán y una brújula
Si tienes un imán y una brújula en casa, puedes observar la relación entre la distancia y la desviación de la aguja. Coloca la brújula sobre una mesa y, cuando la aguja se detenga, coloca el imán a una cierta distancia. La aguja girará hacia el imán. Mueve el imán lentamente hacia atrás mientras mides la distancia con una regla y anota la desviación de la aguja en un cuaderno. Compara cuánto se mueve la aguja cada vez que cambias la distancia. Mantén la orientación del imán constante cada vez. Cuanto más lo alejes, más la aguja se acercará a su dirección original hacia el norte terrestre. Por favor, no coloques el imán cerca de computadoras, teléfonos inteligentes o tarjetas de crédito, ya que pueden dañarse o perder información. En este experimento observas cómo se debilita el campo magnético alrededor del imán, lo cual es diferente de la fuerza de 1/16 entre dos imanes. Observa con tus propios ojos cómo la aguja se desvía mucho cerca y menos al alejar el imán. También es una buena observación probar la fuerza de atracción de un clip variando la distancia.