MAGNETISMO

1. El magnetismo es un fenómeno físico por el que determinados materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Algunos materiales presentan propiedades magnéticas detectables como el hierro y comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales presentan propiedades magnéticas y son influídos en mayor o menor medida por la presencia de un campo magnético.

Un imán, o en general un momento magnético, genera lineas de fuerza que salen del polo Norte o positivo y acaban en su polo Sur o negativo. Estas líneas indican la posición en la que se dispondrá otro imán (o momento magnético). Si colocamos una laminilla de otro iman en el campo de fruerza del iman principal se orientará de modo que el polo norte de la laminilla será atraido a traves de las lineas de campo hacia el polo sur del iman generador.

Si pensamos que el momento magnético reside, principalmente, en un atomo metálico podemos entender con facilidad que se acoplará de forma anisótropa con los momentos que le rodeen, ya sea en la misma molécula o en moléculas vecinas.

El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la radiación electromagnética como por ejemplo, la luz.



2. Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán.

En mecánica clásica un dipolo magnético es una aproximación que se hace al campo generado por un circuito cuando la distancia al circuito es mucho mayor a las dimensiones del mismo.

El campo magnético terrestre también puede ser aproximado por un dipolo magnético, aunque su origen posiblemente sea bastante más complejo.

En mecánica cuántica el spin de las partículas de electrones o nucleos atómicos, también genera un campo que se aproxima bien por un dipolo magnético.

El número cuántico spin determina que el electrón se comporta como un pequeño iman con sus polos N y S que puede adoptar dos orientaciones distintas.

El spin es propiedad física de las partículas subatómicas por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular magnético. Es un fenómeno exclusivamente cuántico, que no se puede relacionar de forma directa con una rotación en el espacio.

 La interacción magnética dipolar es la interacción entre dos momentos magnéticos. En mecánica cuántica se puede dar entre momentos magnéticos de espín, pero es el mismo fenómeno que el que tiene lugar entre dos imanes macroscópicos y se rige por las mismas reglas. En términos simples, los polos opuestos se atraen y los del mismo signo se repelen.

Momento dipolar magnético: Los dipolos se pueden caracterizar por su momento dipolar, una cantidad vectorial. Por ejemplo, si por un circuito C circula una a corriente I, se define el momento dipolar magnético m como:

En el caso en el que el circuito sea plano, se tendrá que:

donde S es el área de la superficie plana cuyo borde es C y n es el vector unitario normal.

Explicación del magnetismo:

Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán.  Los electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.

Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina. De nuevo, en general el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones los movimientos orbitales de los electrones pueden alinearse y producir un campo magnético total medible.

TORMENTA GEOMAGNÉTICA II

LA TORMENTA GEOMAGNÉTICA:

La corriente eléctrica de protones de la tormenta solar que llega al polo norte asimilada a un conductor rectilíneo de intensidad I crea un campo magnético inducido B, tormenta geomágnética, en un punto P de la Tierra situado a una distancia a del conductor según la expresión de la Ley de Biot y Savat:

siendo  a = r cosα

 Efecto de una tormenta geomagnética de campo B sobre una línea de distribución de corriente eléctrica:
Toda la carga en movimiento por acción del campo magnético es sometida a una fuerza magnética perpendicular a la velocidad y al campo que se opone al paso de la corriente. La velocidad de la corriente es la velocidad del electrón y la carga q=I/S es la intensidad entre la sección.

La fuerza que ejerce el campo geomagnético B sobre una carga q del hilo conductor sobre el que circula una corriente de intensidad I es :

f = q . v . B . sen (v, B)

Para un conductor de longitud L por el que circulan n cargas la fuerza mágnética es:

F = n . f

F = B . I . L sen (v, B)

LA AURORA BOREAL:

Vista de la aurora boreal en Noruega en enero de 2012.

Una aurora polar se produce cuando una eyección de masa solar choca con los polos norte y sur de la magnetósfera terrestre, produciendo una luz difusa pero predominante proyectada en la ionosfera terrestre. Ocurre cuando partículas cargadas (protones y electrones) son guiadas por el campo magnético de la Tierra e inciden en la atmósfera cerca de los polos.

Cuando esas partículas chocan con los átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno, que constituyen los componentes más abundantes del aire, parte de la energía de la colisión excita esos átomos a niveles de energía tales que cuando se desexcitan devuelven esa energía en forma de luz visible de varios colores

AGUJEROS GEOMÁGNÉTICOS:

Las cinco sondas espaciales THEMIS, de la NASA, han descubierto una grieta en el campo magnético de la Tierra que es diez veces más grande de lo que anteriormente se pensaba posible. El viento solar puede fluir a través de esta abertura y "cargar" la magnetósfera para que desencadene poderosas tormentas geomagnéticas.

El gran descubrimiento se produjo el 3 de junio de 2007, cuando de manera accidental las cinco sondas pasaron a través de la grieta, justo cuando ésta se estaba abriendo. Sensores ubicados en las sondas registraron un torrente de partículas de viento solar que se dirigía hacia el interior de la magnetósfera, lo cual indica que se trata de un evento de magnitud e importancia inesperados.

El evento comenzó con escasa advertencia cuando una gran ráfaga de viento solar arrojó un manojo de campos magnéticos desde el Sol hasta la Tierra. Como un pulpo que enreda sus tentáculos alrededor de una almeja, los campos magnéticos solares se distribuyeron alrededor de la magnetósfera hasta provocar la grieta. La falla se produjo por medio de un proceso conocido como "reconexión magnética". Muy por encima de los polos de la Tierra, campos magnéticos solares y terrestres se acoplan (se reconectan) y forman conductos de flujo para el viento solar. Los conductos sobre el Ártico y la Antártida rápidamente se expandieron; en pocos minutos cubrieron el Ecuador de la Tierra, creando de esta manera la grieta magnética más grande jamás registrada por una sonda espacial en órbita alrededor de la Tierra.

Un modelo, realizado por computadora, del flujo del viento solar alrededor del campo magnético de la Tierra, el 3 de junio de 2007. Los colores del fondo representan la densidad del viento solar; el rojo indica alta densidad, el azul indica baja densidad. Las líneas negras trazan los límites externos del campo magnético de la Tierra. Obsérvese la capa de material relativamente denso que indican las puntas de las flechas blancas; ése es el viento solar que penetra en el campo magnético de la Tierra a través de la grieta.

TEMBLORES MAGNÉTICOS:

Utilizando la flota de cinco naves espaciales THEMIS, de la NASA, los investigadores han descubierto un fenómeno relacionado con el tiempo en el espacio que tiene la potencia de un terremoto y desempeña un papel importante en el proceso de hacer resplandecer las auroras boreales. Lo llaman "temblor espacial".

Un temblor espacial es un temblor que tiene lugar en el campo magnético de la Tierra. Se puede detectar principalmente en la órbita terrestre, pero no se limita al espacio exterior. Los efectos pueden incluso alcanzar la superficie de la Tierra.

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"Se han detectado reverberaciones magnéticas en estaciones terrestres de todo el mundo, de una manera similar en la cual los detectores sísmicos registran un gran terremoto",

TORMENTA SOLAR Y SU EFECTO EN LA TIERRA, LA TORMENTA GEOMAGNÉTICA

El viento solar es una corriente de partículas cargadas expulsadas de la atmósfera superior del sol, este viento consiste principalmente de electrones y protones con energías por lo general entre 10 y 100 KeV.

El viento solar crea la heliosfera una burbuja enorme en el medio interestelar que rodea el sistema solar.

La composición elemental del viento solar  un 73% de hidrógeno y un 25% de helio, con algunas trazas de impurezas.

Las partículas del viento solar se encuentran completamente ionizadas protones (H+), electrones (e-) y helio ionizado (He+, He++, e-).

En las cercanías de la Tierra, la velocidad del viento solar varía siendo el promedio de unos 450 km/s.

Una llamarada solar es un estallido repentino de energía de la atmósfera solar,  al día siguiente se observa en la Tierra una tormenta geomágnética.

Las tormentas solares son  explosiones energéticas de viento solar causadas por manchas solares y otros fenómenos del Sol.

Cuendo el viento solar impacta contra la tierra crea fenómenos como las auroras boreales del norte y las australes del sur y las tormentas geomágnéticas.

 A partir de una estadística de los últimos 200 años se conoce que los máximos solares (máximo de manchas solares) siguen una periodicidad de aproximadamente 11 años. A final del 2011 el Sol entra en su 24º período de máxima actividad produciendose las erupcines y tomentas solares de este nuevo ciclo. La primera erupción solar de enero de 2012 desencadenó una tormenta de protones que se dirigió hacia la Tierra y fue la primera realmente fuerte desde 2005.

En el último máximo solar ocurrió entre los años 2000-2003, puede haber de dos a cinco tormentas muy potentes y otras más débiles.

El campo magnético de la Tierra ó campo geomagnético se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta su confluencia con el viento solar. Es aproximadamente el campo de un dipolo magnético inclinado en un ángulo de 11 grados con respecto a eje de rotación de la tierra, este ángulo se denomina declinación mágnética. El Norte del dipolo es el sur magnético y el sur del gigantesco iman es el norte mágnético. Las líneas de fuerza del campo salen del sur magnético y se dirigen a lo largo de una envolvente hacia el norte mágnético.

Entre ambos polos se crean líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro. Los polos magnéticos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural: el polo norte de un imán se orienta hacia el polo sur magnético, que está próximo al polo norte geográfico, mientras que el polo sur del imán se orienta hacia el polo norte magnético, que está próximo al polo sur geográfico. El ángulo comprendido entre la componente horizontal del campo magnético terrestre y el meridiano geográfico se denomina declinación magnética.

El campo magnético terrestre es generado por el movimiento de las aleaciones de hierro fundido en el núcleo externo de la Tierra. La razón por la que la Tierra  producen un campo mag+nético está relacionada con la existencia de iones cargados y material ferromagnético en el núcleo y con la velocidad de rotación.

Entre ambos polos se crean líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro. Los polos magnéticos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural: el polo norte de un imán se orienta hacia el polo sur magnético, que está próximo al polo norte geográfico, mientras que el polo sur del imán se orienta hacia el polo norte magnético, que está próximo al polo sur geográfico. El ángulo comprendido entre la componente horizontal del campo magnético terrestre y el meridiano geográfico se denomina declinación magnética.

La magnetosfera es la región alrededor de la Tierra en la que actua el campo magnético terrestre. Desvía la mayor parte del viento solar formando un escudo protector contra las partículas cargadas de alta energía procedentes del sol y de los rayos cósmicos.

La magnetósfera es una "burbuja" magnética que rodea a la Tierra y que nos protege del viento solar. La exploración de esta burbuja es uno de los objetivos clave de la misión THEMIS, la cual fue lanzada en el mes de febrero de 2007.

Cuando las partículas cargadas del viento solar y de tormentas solares alcanza el campo magnético terrestre son sometidas a la fuerza del campo desplazandose por las lineas de campo hacia los polos, según indican la flechas amarillas, produciendo el fenómeno de las auroras. Otras partículas solares más alejadas de la influencia magnética son reflejadas siguiendo el arco de choque. 

Cuando el viento solar es muy intenso, caso de las tormentas solares, la corriente eléctrica solar de partículas cargadas que llega a los polos mágneticos crea nuevos campos mágnéticos inducidos ya que como es sabido toda carga en movimiento crea un campo magnetico. Estos campos magneticos inducidos conocidos como tormenta geomágnetica afectan a la distribución de energía electrica, a las comunicaciones y a la navegación por satélite. 

Es conocido que en el máximo solar ocurrido en el año 1989, y durante intensas tormentas solares, varias ciudades del norte de los Estados Unidos y Canadá tuvieron graves problemas en el suministro eléctrico. También varios satélites sufrieron anomalías temporales en el transcurso de las citadas tormentas.

Las partículas, iones, electrones, protones pueden golpear el sistema  electrónico del satélite y provocar fallos en el ordenador y en casos extremos puede destruir el ordenador del satélite, lo que quiere decir que dejaría de funcionar.
Pueden afectar a las radiocomunicaciones, incluso a las centrales de energía. Lo importante es advertir a las compañías y operadores de sistemas para que estén bien preparados y puedan reparar los equipos si hace falta.

¿Qué consecuencias habría si sufrimos una gran tormenta solar como la que en 1859 electrificó cables de transmisión telegráfica?Nadie sabe exactamente qué podría pasar. Es muy probable que causara daños en la tierra, pero lo que es seguro es que la vida humana no estaría directamente en peligro. Ninguna gran tormenta solar causaría daño a las personas en la Tierra, pero podría dañar las telecomunicaciones, los sistemas de navegación, los GPS, puede causar paradas del servicio de electricidad, apagones  pero nunca provocará el fin del mundo

Fuerza Magnética sobre una carga q en movimiento en el seno de un campo magnético :

Toda carga en movimiento en el seno de un campo magnético es sometida a una fuerza mágnética.

Una Carga q en movimiento a la velocidad v en el seno de un campo magnético B  se ve sometida a una Fuerza magnética F perpendicular a la velocidad v y al campo B definida por el producto vectorial:

donde F es la fuerza, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción. Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto vectorial tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B). El módulo de la fuerza resultante será:

Campo Magnético creado por una carga en movimiento:

Toda carga en movimiento crea un campo magnético inducido.

El campo magnético generado por una única carga q en movimiento a velocidad v en un punto P situado a una distancia r determinada por en vector unitario ur de modulo unidad se calcula a partir de la siguiente expresión vectorial.

El módulo del campo magnético viene dado por :

 

 

LA CONSTELACIÓN DE ORION. INVIERNO DEL HEMISFERIO NORTE.

En las latitud norte la constelaciones dominantes de invierno son Orión y Taurus.

Constelación de Orión (El Cazador):

-Cuadrilátero de Orión: α Orionis (Betelgeuse), β (Rigel), γ (Bellatrix) , k (Saiph)
-Cinturón de Orión: δ, ε, ζ (Las tres Marías o los Tres Reyes Magos) y la binaria η
-El Conjunto i (gigante azul y binaria) y Nebulosas de Orión y de Mairan M43 y M42
-El casco: λ (Meissa o Raselgeuse)
-El Escudo del cazador con el que Orión se defiende de Tauro (Estrellas π)
-La espada empuñada: Orion aparece con el brazo erguido empuñando una espada de estrellas desde el hombro de Betelgeuse.

 

 

El Cielo de Orión: El Invierno en el Hemisferio Norte.

 

 

 

 

NEUTRINOS:

Los neutrinos son partículas subatómicas sin carga y espín ½, tienen masa pero muy pequeña inferior a unos 5,5 eV lo que significa menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de hidrógeno. Su interacción con las demás partículas es mínima por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla. No se ven afectados por las fuerzas nuclear fuerte ni electromagnética pero si por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria.

La existencia del  neutrino fue propuesta por el físico Wolfgang Pauli para compensar la aparente pérdida de energía en la desintegración de los neutrones según la siguiente ecuación:

La desintegración beta se debe a la interacción nuclear débil  que convierte un neutrón en un protón o viceversa.

Desintegracion beta-:
Un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico:

Desintegracion beta+:
Un protón deviene en un neutrón, un antielectrón (positrón) y un neutrino electrónico:

Diagrama de Feynman, de una desintegración β^–. Mediante este proceso un neutrón puede convertirse en protón. En la figura uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda (quark d, en azul), emite una partícula W^- y pasa a ser un quark (u). La partícula emitida (W^-) se desintegra en un antineutrino y un electrón.

TEORIA ACTUAL DE LAS PARTICULAS ELEMENTALES

Las particulas elementales protones, neutrones y electrones entre otras dejan de ser elementales ya que según los resultados de las experiencias de los laboratorios de física de alta energía en el interior de los nucleones (protones y meutrones) existen unos constiuyentes denominados partones.

Zweig y Gell-Man al estudiar como se comportaba un haz de elctrones al ser dispersado por protones todo ocurría como si los electrones fuesen dispersados por partes puntuales del protón y además cada una de estas partes del protón parece tener spin  1/2.

La teoría explica la complejidad real de las partículas elementales que estarían compuestas de estructuras más simples denominadas quarks.

Los mismos postularon que bastaban 3 quarks y sus correspondientes anticuarks para explicar las propiedades de las particulas elementales. Otros 3 quarks adicionales explican la existencia de otras particulas elementales.

quarks                       simbolo           carga            spin
up (arriba)                      u                 +2/3            + 1/2
down (abajo)                 d                 -1/3             - 1/2
sideway (oblicuo)           s                 -1/3             . 1/2

En este modelo los protones y neutrones estarían constituidos por 3 quarks

El protón p+ = 2u + d
El neutrón no=  u + 2d

Un neutrón compuesto por un quark arriba (u) y dos quark abajo (d).

LOS QUARKS u, d, s, c, t, b son partículas subatómicas con masa, carga y spin 1/2 /que experimentan interacción fuerte esto es, la fuerza nuclear fuerte.

LOS LEPTONES son partículas con masa y spin 1/2 que no experimentan interacción fuerte esto es, la fuerza nuclear fuerte. Existen seis leptones: electrón e, muón, tautón y tres neutrinos electrónico, muónico y tautónico asociados. Los leptones cargados son partículas masivas cargadas como el electrón e-. Los neutrinos son partículas sin carga y casi sin masa como el neutrino electrónico ve.

La desintegración de un neutrón con alta energía produce un protón, un electrón y un neutrino electrónico según la ecuación:

no = p+  +  e-  +  ve

Todo átomo ordinario está compuesto por partículas de primera generación. Los electrones rodean el núcleo atómico hecho de protones y neutrones que contienen quarks u arriba y d abajo. La segunda y la tercera generación de partículas cargadas no interactuan en la materia normal y sólo se ven en entornos de energía extremadamente alta. Los neutrinos de todas las generaciones fluyen a través del universo pero raramente interactúan con la materia normal.

 

Cada miembro de una generación mayor tiene mayor masa que la correspondiente partícula de la generación previa. Ell electrón de primera generación tiene una masa de solo 0.511 MeV, el muon de segunda generación tiene una masa de 106 MeV, y el leptón tau de tercera generación tiene una masa de 1777 MeV. 

 

La búsqueda en colisionadores de alta energía del CERN de partículas de una cuarta generación con neutrinos con una masa menor de 40 GeV continúa pero hasta ahora no hay evidencia observada.

La NASA descubre los 2 primeros planetas del tamaño de la tierra más allá de nuestro Sistema Solar: 20.12.11.

La misión Kepler de la NASA, telescopio orbitador alrededor del Sol,  ha descubierto los primeros planetas del tamaño de la tierra orbitando una estrella como el sol fuera de nuestro sistema solar a 1000 años luz en la constelación de Lyra.

Los planetas, llamados Kepler-20e y Kepler-20f se encuentran fuera de la zona de habitabilidad por lo que en ellos no se cree que exista agua líquida por estar muy próximos a su estrella y tener su superficie una temperatura muy elevada. En cuanto a su tamaño, ambos son similares a nuestro planeta, uno ligeramente superior y otro poco más pequeño. En la foto Kepler-20f es un poco mayor que la tierra, mide 1,03 veces su radio.

  

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Sistema estelar Kepler 20 a 1000 años luz de la Tierra en el espacio profundo de la constelación de Lyra en la Vía Lactea.

  

Imagen del planeta Kepler-20f, a 800 grados Fahrenheit, es similar a un día normal en el planeta Mercurio.

Magnitudes: Lyra 25 años luz, Kepler-20 a 1000 años luz, Via Lactea Radio 50.000 años luz.

Imagen del planeta Kepler-20f, a 800 grados Fahrenheit, es similar a un día normal en el planeta Mercurio.

Magnitudes: Lyra 25 años luz, Kepler-20 a 1000 años luz, Via Lactea Radio 50.000 años luz.

La pregunta es por qué la misión Kepler de la Nasa detecta planetas lejanos como los de la estrella Kepler-10 a 1000 años luz y no ha podido detectar planetas de nuestra estrella más cercana Alfa-Centauri Próxima situada a 4,2 años luz de la Tierra en la constelación de Centauro. La formación de planetas puede haberse dado en este sistema, aunque de momento no se tienen datos sobre su existencia. Estudios realizados a partir de simulaciones parecen demostrar que existen órbitas estables hasta de unas 2 ua si el planeta orbita una de las estrellas principales en el mismo plano. Foto del Sistema Estelar de Alfa Centauri compuesto de 3 estrellas A, B y Próxima.