18. Cómo Magneto se convierte en Electro cuando corre

EL MAGNETISMO Y LA LEY DE FARADAY

El primero de los verdaderos villanos con los que topó la Patrulla X en el número 1 de X-Men es Magneto, el imitante amo del magnetismo, cuyo superpoder consiste en la capacidad para generar y controlar los campos magnéticos. Magneto podía lanzar misiles sobre nuestros héroes y desviar el curso de objetos magnéticos, aunque quedaba indefenso contra un bate de madera de béisbol. De hecho, algunos objetos metálicos son inmunes al poder de Magneto: es capaz de levantar un automóvil con bastante facilidad, pero no una cuchara de plata ni una pulsera de oro. ¿Qué determina el que algunos materiales sean magnéticos, incluso aunque no pase por ellos ninguna corriente, y otros no? ¿De dónde proviene el magnetismo?

La teoría de la relatividad especial puede ser responsable en último término del campo magnético creado por una corriente eléctrica que implica el desplazamiento de cargas eléctricas, pero ¿qué hay de los imanes hechos de hierro? Los imanes que usamos para sujetar las listas de la compra en la puerta de nuestros refrigeradores no parece que tengan partes móviles, y sin embargo crean campos magnéticos. Resulta que la relatividad es también en último término responsable del magnetismo de un trozo de hierro en reposo.

Cada protón, electrón y neutrón del universo tiene un diminuto campo magnético asociado con él. Este campo es escasamente observable comparado con el campo magnético de la Tierra o con los campos creados por corrientes eléctricas. Los electrones que giran alrededor de los núcleos pueden considerarse grosso modo como unos bucles de corriente que generan campos magnéticos. Pero incluso sin este efecto «orbital», queda todavía un campo magnético en el interior de los átomos. ¿De dónde proceden estos minúsculos campos magnéticos intrínsecos de las partículas subatómicas? La respuesta involucra a la mecánica cuántica, de la que trataremos en la siguiente sección.

Un principio de la teoría especial de la relatividad es que el espacio y el tiempo deberían considerarse debidamente como una única entidad, llamada espacio-tiempo. Cuando se hace este ajuste en la ecuación fundamental de la física cuántica, la teoría predice que los electrones deberían tener un campo magnético interno muy pequeño, cuya magnitud está de acuerdo de forma precisa con el valor medido. El campo magnético interno de electrones, protones y neutrones tan sólo se comprende matemáticamente en la versión relativista de la mecánica cuántica, donde el tiempo y el espacio están tratados en pie de igualdad en un «espacio-tiempo» cuadridimensional. Incluso para la materia estacionaria, la relatividad resulta ser imprescindible para entender el magnetismo. Así pues, sin Einstein, no hay relatividad, y en consecuencia no hay magnetismo. Sin magnetismo, no hay hierro magnético, y lo que es más importante, ¡no hay imanes para las puertas de los refrigeradores! Por lo tanto sin relatividad no hay forma de evitar que nuestras listas de la compra se caigan al suelo y allí sean dadas de lado y queden sin leer. En ausencia del descollante logro de Einstein en la física teórica, nos hubiera esperado a todos una lenta y persistente muerte por inanición.

Generalmente, los pequeños campos magnéticos de los electrones en el interior de los átomos suelen ir emparejados, al igual que cuando se colocan juntos dos imanes se orientan alineándose en polos separados. Cuando los campos magnéticos del interior de un átomo se emparejan, no hay un campo magnético neto asociado con el átomo, del mismo modo que un átomo ordinario no tiene un campo eléctrico neto, porque el número de protones positivos del núcleo está equilibrado por un número igual de electrones cargados negativamente. La mayor parte de los materiales, tales como el papel y el plástico, no son magnéticos, e incluso muchos metales, como la plata y el oro, tienen todos sus momentos magnéticos emparejados^[62].

Si la mayor parte de los materiales no tienen campos magnéticos netos debido a que sus momentos magnéticos atómicos están emparejados, entonces ¿cómo es que Magneto puede levitar y hacer levitar a otros, como se muestra en la figura 26? La base física de este truco es que Magneto puede generar un campo magnético tan grande que polariza sustancialmente los campos magnéticos internos de nuestros átomos, convirtiéndonos a nosotros o a cualesquiera otros objetos en imanes.

Antes de empezar esta discusión sobre la levitación magnética, debo insistir antes en que Magneto no eleva a las personas a través de su influencia sobre el hierro de su sangre. Dejemos aparte la cuestión del efecto de una presión homogénea en las venas y arterias del cuerpo de una persona y centrémonos en su lugar en el magnetismo de la sangre. Unos pocos metales, tales como el hierro y el cobalto, tienen la configuración justa de imanes de electrones no emparejados tales que el átomo tiene un campo magnético no nulo. No obstante, el hierro de nuestra sangre está presente principalmente en forma de hemoglobina, una proteína cuya función es la de captar y transportar el oxígeno y el dióxido de carbono cuando respiramos. La hemoglobina es una molécula muy grande que consiste en cuatro grandes proteínas (llamadas globinas, y que parecen gusanos plegados) unidas entre sí. Cada una de esas proteínas contiene una gran molécula llamada grupo «heme», compuesta de carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y hierro. Los átomos de hierro del centro de cada molécula heme están ligados a sus átomos vecinos. Hay otro término técnico para el átomo de hierro unido a átomos de oxígeno: óxido. Un óxido, como puede confirmar cualquiera que haya tratado con chatarra, es débilmente magnético. La forma común del óxido tiene tres átomos de oxígeno unidos a dos átomos de hierro (llamados hematíes) y no es magnético, a pesar de que cuatro átomos de oxígeno unidos a tres átomos de hierro (llamado magnetita) es magnético. El campo magnético del hierro en el hematíe desaparece cuando se combina con átomos de oxígeno, porque el hierro y el oxígeno al compartir químicamente sus electrones emparejan los imanes electrónicos no cancelados del hierro. Dependiendo de si la hemoglobina ha captado una molécula de oxígeno extra para llevar a las células, o transporta una molécula de dióxido de carbono para ser exhalada, el hierro puede tener un campo magnético no cancelado o bien ninguno. Pero en un determinado instante solamente una fracción de su sangre es capaz incluso de quedar afectada por un campo magnético externo^[63].

Aunque el hierro no está unido químicamente a los átomos de oxígeno, es posible que sea no magnético si todos los átomos individuales no están apropiadamente alineados. Ordinariamente los átomos del interior de una pieza de hierro o de cobalto se alinearán, formando pequeñas regiones llamadas dominios en donde todos los campos magnéticos de los átomos de hierro apuntan en la misma dirección. Sin embargo, consideraciones de entropía hacen que los dominios apunten en direcciones diferentes, de modo que sus campos magnéticos combinados se cancelen. Caliente una barra de hierro de forma que los átomos tengan mucha energía térmica y estén libres para girar, y a continuación colóquelo en un campo magnético intenso. El campo externo obliga a la mayor parte de los dominios a apuntar en la misma dirección, de modo que la pieza de hierro al enfriarse otra vez a la temperatura ambiente tiene un gran campo magnético neto. Si golpea la barra de hierro magnetizado con un martillo o lo calienta en una estufa, provocará que los dominios magnéticos se reorienten al azar, con el efecto de que el imán pierda casi toda su fuerza magnética. Algunos imanes de refrigerador flexibles, del tamaño de una tarjeta de crédito, tienen sus dominios magnéticos alineados en pequeñas tiras a su largo. Más que tener todos sus dominios apuntando en la misma dirección, es más fácil alinearlos de forma que una tira tenga su polo norte apuntando hacia el refrigerador, mientras la tira adyacente tenga su polo norte apuntando hacia fuera de la nevera, y así sucesivamente^[64].

Los materiales que forman dominios magnéticos con los campos magnéticos de los átomos vecinos apuntando en la misma dirección se denominan ferromagnéticos (llamados así por el hierro, el ejemplo más conocido). Muchos átomos de sólidos tienen una interacción magnética muy débil con sus vecinos, de modo que si se colocan en un intenso campo magnético externo, se alinearán en la dirección del campo pero se desordenarán de nuevo a temperatura ambiente una vez que se retira el campo. Estos materiales tales como la molécula de oxígeno, el óxido nítrico gaseoso y el aluminio, se denominan paramagnéticos. Y hay una tercera clase de materiales en la cual, debido a la naturaleza de las interacciones entre átomos adyacentes y a la ordenación química de los átomos, sus campos magnéticos atómicos (generados por las órbitas electrónicas de los átomos) se alinean opuestamente al campo magnético externo. Si el polo norte del campo magnético externo apunta hacia arriba, el polo norte del imán atómico gira para apuntar hacia abajo. Estos materiales se llaman diamagnéticos, y anulan cualquier campo magnético externo. Las moléculas de agua son diamagnéticas y, dado que estamos compuestos principalmente de agua, también lo somos nosotros.

Gracias a nuestro diamagnetismo, Magneto es capaz de levitar y de hacer que lo hagan otros como se muestra en la figura 26. En campos magnéticos de intensidad moderada, los átomos de su cuerpo no son susceptibles de polarizarse. La interacción diamagnética es débil, de forma que a temperatura ambiente las vibraciones normales de los átomos sobrepasan el intento de alinearlos magnéticamente. En un campo muy intenso, de unas 200.000 veces más grande que el campo magnético de la Tierra (y unas cien veces mayor que el campo del imán de un refrigerador), los átomos diamagnéticos de su cuerpo pueden ser inducidos para que apunten todos en el mismo sentido, opuesto al del campo aplicado. Así como dos imanes se repelen si se acercan entre sí de modo que se enfrenten por su polo norte, la persona ahora polarizada magnéticamente será repelida por el campo magnético externo que crea Magneto —el campo real que alineó los átomos magnéticamente en primer lugar—. A medida que Magneto aumenta el campo magnético que genera, la repulsión magnética puede volverse lo bastante grande como para contrarrestar el empuje hacia abajo de la gravedad. Es decir, la fuerza hacia arriba de la repulsión magnética puede ser igual o mayor que la fuerza hacia abajo del peso de la persona, y el resultado es una fuerza neta hacia arriba sobre la persona, elevándola del suelo. El conseguir esto conlleva un campo magnético muy grande, y cuanto más pesada es la persona, mayor es el esfuerzo. Pero puede hacerse, y el High Field Magnetic Laboratory de la Universidad de Nijmegen en Holanda tiene imágenes y vídeos en su sitio web de ranas, saltamontes, tomates y fresas flotando, demostrando la realidad de la levitación diamagnética.

Si una corriente eléctrica genera un campo magnético, entonces ¿podría un campo magnético en movimiento inducir una corriente en un cable cercano? La respuesta, como cualquiera que haya leído los cómics de la Patrulla X debería saber, es afirmativa. En batallas anteriores con la Patrulla X, y ocasionalmente con endebles humanos, Magneto empleó su talento mutante para transformar un objeto de metal en un arma ofensiva o en una pantalla protectora. El poder de Magneto es más efectivo en metales que ya están magnetizados. Sólo existen tres elementos (el hierro, el cobalto y el níquel) que son magnéticos a temperatura ambiente. Magneto puede manipular una viga de acero para darle cualquier forma que desea gracias al hierro que contiene, pero su poder sería limitado con un colgante de oro, a menos que desee emplear un esfuerzo tremendo para polarizar el material usualmente diamagnético. Pero el poder real de Magneto no reside tanto en su capacidad para ejercer fuerzas sobre otros materiales como en su control sobre las corrientes eléctricas.

Así, por ejemplo, el amo mutante del magnetismo construyó una vez un panel de control computerizado que automatizaba los campos reductores de poder que impedían a la Patrulla X interferir con su plan de conquista mutante de la humanidad. Para evitar que la Patrulla X desactivara el dispositivo, Magneto lo configuró de forma que no tuviera botones ni controles que permitieran reprogramarlo. Magneto controla el panel alterando las corrientes eléctricas que fluyen a través de los circuitos, afectándolos mediante los campos magnéticos que crea. Para mayor abundamiento, variando el campo magnético sobre el panel de control, Magneto podía hacer que se originaran corrientes.

¿Cómo podría un campo magnético variable crear una corriente eléctrica? La pregunta nos retrotrae al punto en que iniciamos nuestra discusión sobre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos: el movimiento relativo.

Al igual que un imán puede atraer o repeler a otro segundo imán que se le aproxime, un campo magnético externo puede ejercer una fuerza sobre una corriente eléctrica. Como se describió en el capítulo anterior, cargas eléctricas en movimiento generan un campo magnético que puede atraer o repeler otros campos eléctricos, ya estén creados por otra corriente eléctrica o por un imán de refrigerador. Cuando las cargas no se mueven, pero están en un cable colocado en un campo magnético externo, no se ejercerá fuerza sobre ellas^[65]. Pero ¿qué ocurre si la barra imantada externa se mueve, mientras las cargas permanecen en reposo en el cable? Supongamos que el imán se mueve hacia el cable. Desde el punto de vista del imán, él no se mueve en absoluto, sino que es el cable el que se está moviendo hacia él.

El magnetismo es, en esencia, una cuestión de movimiento relativo. Si usted fuera un pasajero con los ojos vendados en un automóvil que se mueve a velocidad constante en línea recta, ¿cómo podría demostrar que cuando ha llegado a su destino lo que se ha movido es el coche y no el escenario? Si usted cambia su velocidad o su dirección entonces experimentará una fuerza asociada con la aceleración, y esto le dará una indicación de que es usted el que se mueve. Pero en un movimiento uniforme usted no puede demostrar realmente si es usted o bien todo lo demás lo que está en movimiento. Todo lo que puede asegurar es que usted se está moviendo relativamente a su entorno.

De forma similar, cuando un imán se mueve hacia un cable, desde el punto de vista del imán éste se halla estacionario y son las cargas (tanto los electrones móviles como los iones fijos cargados positivamente) del cable las que se mueven hacia él. Pero cargas eléctricas en movimiento crean un campo magnético que interacciona con el campo del imán. Así pues, al mover un imán cerca de un cable, el imán ve dos corrientes eléctricas de iones positivos y electrones cargados negativamente. Se ejerce una fuerza sobre las cargas del cable y los electrones se mueven libremente en respuesta a esta fuerza. De este modo Magneto es capaz de afectar la dirección de las corrientes eléctricas en cualquier dispositivo a voluntad, aunque la precisión con la que puede guiarlas depende de la precisión con la que pueda manipular esos campos magnéticos.

Si el movimiento relativo es el único factor que importa al considerar si un campo magnético afecta a las cargas eléctricas, entonces ¿qué puede decirse de una situación en la cual el imán está en reposo, pero el cable se mueve hacia el mismo? ¿Generaría eso una fuerza sobre las cargas?

A esto la física responde «¿por qué no?». Si empujo un cable a través del espacio, los electrones del mismo se están moviendo, al igual que si sujeto el cable en reposo y aplico un voltaje entre sus extremos. En cualquier caso los electrones se mueven a cierta velocidad. Con respecto al imán, es como si hubiera una corriente eléctrica fluyendo junto al mismo, y sabemos cómo interaccionan las corrientes y los imanes. En esta situación se aplicará una fuerza sobre las cargas en el cable en movimiento que las impulsarán a moverse. Arrastrando el cable a través del campo magnético externo, convertimos la energía física implicada en el movimiento del cable en una forma de energía manifestada por la corriente eléctrica. Para el caso de una espira de cable, no importa si el imán se impulsa a través del bucle o es el bucle el que se mueve con respecto al imán. Mientras exista un movimiento relativo entre las cargas del cable y la magnitud del campo magnético que atraviesa el aro, se inducirá una corriente, incluso sin un voltaje externo. Este mecanismo puede parecer poco lógico, pero de hecho es como se genera la electricidad que llega a su casa.

Una estación de energía eléctrica, como la que emplea Electro para cargarse para una noche de delitos, opera sobre el principio de que si un campo magnético que pasa a través del plano de una espira de cable cambia, se induce una corriente en el cable. Se trata de la conocida la ley de Faraday, llamada así en honor de Michael Faraday. La dirección de esta corriente inducida es tal que crea un campo magnético que se opone al campo magnético externo variable. Esto es una consecuencia de la conservación de la energía, como explicaremos en un instante. En ciertas circunstancias esta corriente se denomina corriente circular, pero tiene lugar siempre que el campo magnético que pasa a través de una espira aumenta o disminuye.

Imagine un gran imán doblado en forma de un anillo partido, de forma que el polo norte se enfrente al polo sur, con una espira sostenida en el hueco abierto entre los polos norte y sur. Inicialmente el plano de la espira forma un ángulo recto con los polos magnéticos, de forma que el campo magnético pasa a través de la espira. Si ahora se gira la espira 90 grados, el plano de la misma se retira de los polos, de modo que la cantidad de campo magnético que pasa la espira es muy pequeño. Otra vuelta de ángulo recto y ahora la bobina vuelve a enfrentarse a los polos y el campo magnético que la atraviesa es otra vez grande. Un cuarto de rotación más y el campo a través de la bobina es mínimo nuevamente, y así en adelante. Por cada cambio en el campo magnético que pasa a través de la bobina, tanto si hay un aumento como un descenso, se induce una corriente. El sentido de la corriente inducida cambia de atrás a adelante a medida que la bobina va rotando. Hay trucos para convertir una corriente alterna (conocida como CA) en una corriente continua (conocida como CC). Hay muchas razones prácticas, en las que no entraremos, para utilizar la CA para nuestras necesidades eléctricas. Las bobinas están hechas para girar 50 veces por segundo, que es por lo que en Europa la potencia CA tiene una frecuencia de 50 Hz (Hz es una abreviatura de la unidad de frecuencia «Hertz» y mide el número de ciclos o giros por segundo), mientras que en Estados Unidos la frecuencia de la CA es de 60 Hz.

Cuando cambia el campo magnético que pasa a través de bobinas giratorias fluye una corriente. Desde el punto de vista de la conservación de la energía, nos damos cuenta de que se necesita energía para hacer girar la bobina con el fin de que se origine una corriente eléctrica antes no existente. En el número 1 de The Dark Knight Strikes Again (El caballero negro ataca de nuevo) que presenta la visión futurista de Frank Miller del universo DC según la cual los superhéroes están obligados al vasallaje y Lex Luthor gobierna el país, la electricidad suministrada a un tercio de una gran ciudad era generada obligando a Flash a mover continuamente una especie de rueda de molino. Recordemos del capítulo 11 que Flash se las había arreglado para hallar una forma de eludir el principio de la conservación de la energía mediante su capacidad para golpear una «fuerza de velocidad», de modo que en la visión de Luthor podría también obtener un beneficio económico de esta suspensión de las reglas de la física. En nuestro mundo, en el que todavía hemos de hallar una única excepción al principio de la conservación de la energía, la energía que hace girar las turbinas y genera electricidad proviene del mismo proceso que utilizamos para preparar el té.

Todas las plantas comerciales de energía generan electricidad haciendo hervir el agua. El vapor resultante hace girar una turbina (un término elegante para un molinillo) al cual están conectadas las espiras de cable de los potentes imanes. Para hervir el agua se tiene que quemar carbón, petróleo, gas natural o basura (o biomasa, que suena mejor). Alternativamente, el exceso de calor generado por una reacción nuclear puede hacer hervir el agua y hacer girar la turbina. Pero todo ello tiene por finalidad crear vapor para hacer girar una turbina conectada a una bobina entre los polos de un imán. La energía química almacenada en el carbón, petróleo o basura tiene el mismo origen que la energía química del alimento que comemos, es decir la fotosíntesis de las plantas. La luz solar es un subproducto de la reacción de fusión nuclear que tiene lugar en el núcleo del Sol (así pues, todas las plantas de energía eléctrica podrían contemplarse como plantas nucleares o plantas solares, dependiendo de su inclinación política).

El giro de los molinos de viento resulta de las diferencias de temperatura en la atmósfera, que provienen de las variaciones espaciales de la luz solar absorbida por la atmósfera o desviada por las cubiertas de nubes. Obviamente, las células solares (a tratar en la sección tres) necesitan de la luz solar para funcionar. De modo parecido, la potencia hidráulica, en la cual la energía potencial del agua en una presa o cascada se convierte en energía cinética en una turbina, requiere evaporación por el sol seguida de condensación para restaurar la gran diferencia de nivel con el agua. Aparte del control de las mareas y de la potencia geotérmica, en la cual el calor interno de la Tierra se utiliza para evaporar agua, todos los demás mecanismos que generan electricidad comportan la conversión de energía solar a otra forma de energía. Claramente, sin luz solar, ninguno de nosotros estaría aquí. Quizás los guionistas de Superman perseguían algo cuando cambiaron la fuente de los poderes de Kal-El de la excesiva gravedad de Krypton a la luz de nuestro Sol.