El camp magnètic terrestre és un d'aquells fenòmens naturals que, encara que moltes vegades ens passi desapercebut a la vida diària, ha estat essencial per a l'evolució del nostre planeta i per al desenvolupament científic i tecnològic des de l'antiguitat fins als nostres dies. Avui dia, el seu estudi i mesurament, així com la comprensió de les seves propietats i aplicacions en diferents àmbits, constitueixen una base fonamental per a branques com ara la geofísica, la indústria, la medicina i l'enginyeria.
Molts ens preguntem com es mesura, quines magnituds ho descriuen, quins instruments es fan servir (com el gaussímetre), i per què resulta tan rellevant a la nostra vida moderna. En aquest article desglossarem, amb tot detall i rigor, la naturalesa, les característiques i les formes de mesurar el camp magnètic terrestre, repassant conceptes tan coneguts com el tesla o el gauss, així com l'evolució històrica i conceptual d'aquest camp físic, les seves implicacions tecnològiques, i el paper de científics com Gauss, Faradai, Ampère. No hi faltaran explicacions sobre els materials magnètics, dispositius de mesura, unitats de mesura, aplicacions tècniques i avenços recents. Prepara't per a un recorregut profund i accessible per l'apassionant món del magnetisme terrestre i el seu mesurament, de la mà de la ciència i la tecnologia.
Què és el camp magnètic? Un acostament físic
El camp magnètic és una magnitud física de tipus vectorial. Això vol dir que es descriu mitjançant un mòdul (intensitat), una direcció i un sentit. El camp magnètic es pot generar per càrregues elèctriques en moviment (per exemple, un corrent elèctric en un cable), per imants o fins i tot per partícules subatòmiques. En termes matemàtics, el camp magnètic se sol representar per la lletra B.
La intensitat del camp magnètic es mesura al Sistema Internacional d'Unitats (SI) utilitzant el tesla (T), mentre que al sistema cegesimal s'utilitza el gauss (G). Per donar-te una idea, un tesla equival a 10.000 gauss, és a dir, el tesla és una unitat molt més gran; el gauss resulta més pràctic per a aplicacions quotidianes o per descriure camps magnètics no especialment intensos, com el de la Terra. Per exemple, el camp magnètic terrestre a nivell del mar ronda els 0,5 gauss.
Com es defineix el tesla?
Un tesla és el camp magnètic que exerceix una força d'1 newton (N) sobre una càrrega d'1 coulomb (C) que es mou a una velocitat d'1 metre per segon (m/s) perpendicular al camp. Matemàticament, és la magnitud de B a l'expressió de la força de Lorentz: F = q · (v × B), on la força exercida depèn de la càrrega, la seva velocitat i l'angle respecte del camp.
I el gauss?
El gaussià és la unitat cegesimal per mesurar la densitat de flux magnètic o intensitat de camp magnètic. Tot i que no pertany a l'SI, se segueix utilitzant extensament en física, enginyeria, geofísica i disciplines tècniques. 1 tesla = 10.000 gauss. Si treballes a laboratoris, indústria o educació, trobaràs les dues unitats depenent del context.
Història i evolució de l'estudi del magnetisme
El magnetisme ha estat conegut i utilitzat per la humanitat des de temps remots. La magnetita, mineral capaç d'atreure el ferro, ja era nomenada per xinesos i grecs fa milers d'anys. La brúixola, emprada per a la navegació marítima, apareix a la Xina al voltant del segle XI i va revolucionar els mètodes d'orientació a tot el món.
El gran salt científic arriba amb William Gilbert el 1600, qui a la seva obra «De Magnete» va plantejar que la Terra és en si mateixa un gegantí imant esfèric. No només va observar el comportament de les brúixoles, sinó que va proposar que el camp magnètic que envolta el planeta té l'origen en el mateix globus terrestre.
Posteriorment, la ciència del magnetisme va avançar gràcies a descobriments i investigacions de científics com Hans Christian Ørsted (va descobrir la relació entre electricitat i magnetisme el 1820), André-Marie Ampère (va formular la llei que porta el seu nom sobre la interacció de corrents elèctrics), Michael Faraday (va desenvolupar la inducció electromagnètica) i Carl Friedrich Gauss (matemàtic i físic alemany que, juntament amb Wilhelm Weber, va contribuir a la formulació moderna del magnetisme i el mesurament del camp terrestre).
En 1838 Gauss publica la seva «Teoria general del magnetisme», demostrant que l'origen principal del camp magnètic terrestre és a l'interior del planeta, una idea fonamental per a la geofísica moderna que es complementa amb l'actual teoria de la dinamo (explica la generació del camp pel moviment de metalls fosos al nucli extern terrestre).
El camp magnètic terrestre: origen i variabilitat
La Terra es comporta com un imant gegantí, amb els seus corresponents pols magnètics. Encara que durant segles es va pensar que el seu origen era a l'escorça, avui sabem que el camp magnètic terrestre és generat per corrents elèctrics originats pel moviment de metalls líquids i ions al nucli extern del planeta (a profunditats entre 2.900 i 5.100 km sota la superfície). Es tracta de la coneguda teoria de la dinamo.
Com es mesura el camp magnètic terrestre?
Atès que el camp magnètic és una magnitud vectorial, es caracteritza per tres paràmetres: mòdul (intensitat), direcció i sentit. També se sol descompondre en components cartesianes: X (component nord-sud), Y (est-oest) i Z (vertical). La composició de X i Y dóna la component horitzontal (H). A més, es mesuren dos angles clau:
- Declinació (D): angle entre el nord magnètic i el nord geogràfic.
- Inclinació (I): angle formant la component horitzontal respecte a l'eix Z (vertical).
El mòdul total del camp (també anomenat F) resulta de la combinació de les tres components. tesles o, per ser submúltiples més manejables, a nanotesles (nT): 1 nT = 10-9 T. Per donar-te una referència, el camp magnètic a l'equador terrestre ronda els 30.000 nT i als pols arriba als 60.000 nT, amb una direcció més horitzontal a l'equador i gairebé vertical als pols.
Variabilitat temporal i geogràfica
El camp magnètic terrestre no és estàtic. Podeu canviar tant en intensitat com en direcció al llarg dels anys (variació secular). A més, hi ha variacions diürnes provocades per la radiació solar, i fenòmens com les tempestes magnètiques (originades per la interacció del vent solar amb la magnetosfera terrestre) que poden alterar el camp de manera significativa, especialment en latituds altes.
Els pols magnètics no coincideixen exactament amb els pols geogràfics i es desplacen amb el temps. Per aquest motiu, la declinació magnètica s'ha de tenir en compte en la navegació i en l'elaboració de cartes nàutiques per corregir els rumbs de brúixola.
Importància històrica i pràctica
Des de l'antiguitat, el coneixement del camp magnètic terrestre ha estat essencial per a la navegació. Antigament, els marins es guiaven per les estrelles, però només ho podien fer de nit i si les condicions meteorològiques ho permetien. La brúixola magnètica va permetre orientar-se de dia i sota qualsevol condició climàtica, multiplicant la seguretat en la navegació, sempre que es comptessin amb cartes de declinació magnètica actualitzades.
Unitats de mesura del camp magnètic: de tesles a gauss
El mesurament dels camps magnètics empra diverses unitats històriques i modernes. Actualment, les més rellevants són:
- Tesla (T): unitat del Sistema Internacional per a la densitat de flux magnètic (B).
- Gauss (G): unitat cegesimal per mesurar també la densitat de flux magnètic; 1 tesla = 10.000 gauss.
- Oersted (Oe): unitat cegesimal per mesurar la intensitat de camp magnètic (H), relacionada però no equivalent a B.
- Weber (Wb): unitat SI per mesurar el flux magnètic total (φ), resultant de multiplicar la densitat de flux magnètic (B) per l'àrea travessada per les línies de camp.
- Maxwell (Mx): unitat cegesimal de flux magnètic, amb la relació 1 Wb = 108 Mx.
L'ús de diferents unitats de vegades pot resultar confús, sobretot en convertir valors entre sistemes. Cal recordar sempre que 1 tesla equival a 10.000 gauss i que 1 amperi per metre (unitat SI per a H) equival a 4π × 10-3 oersted al sistema cegesimal.
Materials magnètics i resposta al camp magnètic
Quan un camp magnètic extern actua sobre una substància o material, la resposta depèn de la seva estructura atòmica i les seves propietats magnètiques intrínseques. Per això, els materials es classifiquen en:
- Diamagnètics: Opposa resistència al camp extern, magnetitzant-se en sentit contrari. Són repel·lits pel camp magnètic. Exemples: aigua, bismut, or, plata, gasos nobles.
- Paramagnètics: Són atrets pel camp magnètic i es magnetitzen en la mateixa direcció. Sense camp extern, no romanen magnetitzats. Exemples: alumini, platí, oxigen.
- Ferromagnètics: Poden magnetitzar-se espontàniament i mantenir el magnetisme fins i tot sense camp extern. Són la base dels imants permanents. Exemples: ferro, níquel, cobalt, gadolini, alguns aliatges.
La permeabilitat magnètica mesura la capacitat dun material per conduir les línies de flux magnètic. Al SI, es distingeix entre permeabilitat absoluta (en H/m) i permeabilitat relativa (proporció respecte a la del buit, el valor del qual és 4π·10-7 H/m). Els diamagnètics tenen permeabilitat lleugerament inferior a un, els paramagnètics lleugerament superior i els ferromagnètics molt més gran i no lineal.
Un fenomen destacat és la histèresi magnètica en els materials ferromagnètics: un cop magnetitzats, poden mantenir el camp encara que el camp extern desaparegui, i requereixen un camp en sentit contrari per desmagnetitzar-los.
El mesurament del camp magnètic: gaussímetre i altres dispositius
Per mesurar la intensitat i orientació dels camps magnètics, tant en laboratori com en aplicacions industrials o geofísiques, es fan servir diferents instruments. El més estès és el gaussímetre.
Què és un gaussímetre?
El gaussímetre és un instrument electrònic dissenyat per mesurar la densitat de flux magnètic, expressada en gauss o tesla, i de vegades amb submúltiples com a microtesla. Permet analitzar tant la intensitat (mòdul) com la direcció del camp, i pot detectar camps magnètics estàtics (imants permanents, camp terrestre) o dinàmics (corrents elèctriques, camps alterns).
Tipus de gaussímetre segons el principi de funcionament
- Sensors d'efecte Hall: Basats en el efecte Hall (generació d'un voltatge perpendicular a un material conductor per l'acció d'un camp magnètic). Són precisos i adequats per a la majoria d'aplicacions, tant al laboratori com a la indústria.
- Sensors magnetorresistius: Aprofiten la variació de la resistència elèctrica de certs materials sota la influència d'un camp magnètic. Són compactes, eficients i es fan servir per detectar camps baixos o fluctuants.
- Bobines d'inducció: Detecten variacions del camp magnètic mitjançant la inducció electromagnètica (llei de Faraday), útils principalment per a camps alterns.
L'elecció del tipus de gaussímetre dependrà de l'aplicació, el rang de mesura i la naturalesa del camp magnètic.
Parts d'un gaussímetre modern
- Sonda: És la part sensible del dispositiu, on se situa el sensor. Hi ha sondes planes (per mesurar el camp transversal) i cilíndriques o axials (per al camp paral·lel, com a l'interior de solenoides).
- Processador: Interpreta el senyal del sensor i fes els càlculs necessaris.
- Pantalla: Mostra en temps real els valors del camp magnètic detectats.
Molts gaussímetres incorporen emmagatzematge de dades, registre de màxims/mínims i possibilitat de transferir els resultats a ordinadors o sistemes d'informació geogràfica (GIS) per a anàlisis avançades.
Com es fa servir un gaussímetre?
- Calibratge i preparació: És imprescindible assegurar-se que el dispositiu estigui calibrat (seguint les directrius del fabricant) i preparat amb l'escala adequada per al rang de camp esperat.
- Col·locació de la sonda: La sonda s'ha de situar correctament, normalment utilitzant la cara marcada amb lletres per garantir la direcció de mesura. L'orientació depèn del tipus de camp (transversal o axial).
- Lectura i registre: Un cop posicionada la sonda, s'espera que la lectura s'estabilitzi i es documenti el resultat. En dispositius avançats, es poden emmagatzemar diverses lectures per comparar-les o analitzar tendències temporals.
La precisió del gaussímetre depèn de la qualitat del sensor, el calibratge, la sonda emprada i l'absència d'interferències. La resolució típica dels models avançats pot arribar al 0,1% al 2% del rang màxim de mesura. Factors com la temperatura i la presència de camps magnètics externs poden afectar l'exactitud, per la qual cosa és aconsellable repetir mesuraments i, si cal, recalibrar.
¿ Quins camps pot fer un gaussímetre?
Els gaussímetres poden mesurar tant camps magnètics continus (DC) com alterns (AC). En cas de camps alterns, l'instrument sol mostrar el valor eficaç (RMS) del camp. Alguns models avançats permeten distingir entre tots dos tipus, cosa que resulta especialment útil en aplicacions industrials o científiques on interessa conèixer la naturalesa del camp.
també hi teslàmetres, dispositius equivalents però que mostren els resultats directament a tesles, més adequats per a camps magnètics molt intensos (com els generats en ressonància magnètica o en laboratoris de física de materials).
Aplicacions del gaussímetre i el mesurament del camp magnètic
El control i l'anàlisi del camp magnètic té enormes aplicacions pràctiques en diferents àmbits, des de la investigació fonamental fins a la vida quotidiana.
Indústria i manufactura
Control de qualitat magnètic: Garantir que els imants produïts compleixen especificacions i que els motors i generadors elèctrics operen en condicions òptimes.
Proves d'equips elèctrics: Avaluació de motors, transformadors, solenoides i altres components per prevenir fallades o baixa eficiència.
Detecció d'objectes metàl·lics ocults o sistemes de seguretat: Utilitzat en controls d'accés, sistemes d'alarma i localització d'elements ferromagnètics.
Investigació científica i geofísica
Estudi del camp magnètic terrestre: L'anàlisi de les variacions del camp permet investigar l'estructura interna del planeta, la dinàmica del nucli terrestre i la interacció amb el vent solar.
Física de materials: Investigació de les propietats magnètiques de nous materials i compostos a laboratoris de física i química.
Geologia i prospecció minera: Utilitzat per detectar variacions del camp magnètic associades a la presència de minerals.
Medicina i salut
Calibratge d'equips mèdics: Com les màquines de ressonància magnètica (MRI), on la precisió del camp magnètic és essencial per a la seguretat i la qualitat de les imatges.
Estudis ambientals: Avaluació de camps magnètics en entorns domèstics, industrials o urbans per analitzar possibles efectes sobre la salut.
Aplicacions pràctiques quotidianes
Diagnòstic tècnic: Localització d'avaries en motors i equip elèctric domèstic o industrial.
Comprovacions en la construcció i instal·lacions: Verificació de la integritat de blindatges magnètics, protecció electromagnètica, etc.
Automoció, energies renovables i electrònica
Automoció: Optimització de motors elèctrics en vehicles híbrids i elèctrics, comprovació de sensors i actuadors magnètics.
Energies renovables: Mesurament de l'eficiència de generadors magnètics en turbines eòliques i controls en sistemes de generació elèctrica sostenible.
dispositius electrònics: Calibratge de sensors magnètics en telèfons mòbils, tablets, càmeres digitals i altres gadgets.
Innovacions recents i aplicacions emergents
Els avenços en el desenvolupament de sensors miniaturitzats, dispositius portàtils i sistemes dadquisició de dades automatitzades han expandit l'ús del gaussímetre i les aplicacions en nous camps: des de la robòtica, la intel·ligència artificial i l'internet de les coses (IoT), fins a l'exploració espacial i la biomedicina.
Convertir i comparar unitats: del laboratori a la vida diària
L'ús combinat de tesles i gauss és freqüent en àmbits tècnics, educatius i quotidians. Aquí tens algunes equivalències importants a recordar:
- 1 tesla (T) = 10.000 gauss (G)
- 1 gauss = 0,0001 tesla (T)
- 1 weber = 108 maxwell (Mx)
En instruments de mesura avançats, els resultats solen presentar-se a microtesles (μT) o nanotesles (nT), especialment en aplicacions geofísiques i ambientals. Així, el camp magnètic terrestre oscil·la habitualment entre 30.000 nT i 60.000 nT, depenent de la latitud i altres condicions.
La física del camp magnètic: densitat de flux i força sobre les partícules
L'anàlisi física del camp magnètic es basa en la densitat de flux magnètic (B), que descriu l'acció del camp sobre càrregues elèctriques en moviment. La força exercida per un camp magnètic sobre una càrrega s'expressa mitjançant la força de Lorentz: F = q · (v × B) on q és la càrrega, v la velocitat i B la densitat de flux magnètic.
Segons l'angle entre velocitat i camp, la força pot variar entre zero (si són paral·lels) i el màxim (si són perpendiculars). La direcció d‟aquesta força es determina per la coneguda regla de la mà dreta.
Propietats i comportaments magnètics dels materials
Diamagnetisme
Característic de substàncies que s'oposen lleument al camp magnètic extern, generant un camp induït en sentit oposat. El diamagnetisme és universal, però només és apreciable en materials on altres tipus de magnetisme (com el ferromagnetisme o el paramagnetisme) són molt febles o inexistents. Exemples notables són el bismut, el coure, l'or, la plata, l'aigua o els gasos nobles. Els diamagnets són repel·lits de les zones de camp magnètic intens i aquest fenomen és la base de la levitació diamagnètica.
Paramagnetisme
En materials paramagnètics, els àtoms o molècules tenen moments magnètics individuals que s'alineen amb el camp extern, atraient-se cap a les zones de més intensitat. Tot i això, no retenen magnetització significativa quan el camp s'apaga. En són exemples l'alumini, el platí, l'oxigen, certs òxids metàl·lics i altres substàncies químiques.
Ferromagnetisme
És la propietat que permet a alguns materials (com el ferro, níquel, cobalt o gadolini) magnetitzar-se espontàniament i mantenir aquest estat una vegada desaparegut el camp. Els seus moments magnètics atòmics s'alineen espontàniament. El ferromagnetisme és fonamental en la fabricació d'imants permanents, nuclis per a transformadors i memòries magnètiques. Quan se supera la temperatura de Curie, els materials ferromagnètics es converteixen en paramagnètics, perdent el seu magnetisme espontani.
Permeabilitat magnètica
La permeabilitat defineix la facilitat amb què un material permet el pas de les línies de camp magnètic. Als superconductors, la permeabilitat és pràcticament zero, fent que expulsin per complet el camp magnètic (efecte Meissner).
El mesurament pràctic del camp magnètic terrestre
Mesurar el camp magnètic de la Terra, els seus components i les seves variacions és essencial en nombrosos experiments, estudis i aplicacions tècniques. Un dels experiments més habituals és la determinació de la component horitzontal del camp terrestre (H) utilitzant, per exemple, la llei de Biot-Savart i la llei d'Ampère. Aquestes lleis permeten calcular la contribució de corrents elèctrics a la generació del camp magnètic local.
Per realitzar aquests mesuraments és important:
- Utilitzar equips calibrats (gaussímetres, sondes Hall, magnetòmetres de precisió).
- Fer atenció a les condicions ambientals (absència de fonts d'interferència electromagnètica properes, estabilitat tèrmica).
- Prendre una sèrie de mesures repetides per obtenir un valor mitjà i reduir errors per fluctuacions temporals.
Els valors obtinguts se solen expressar en tesles, gauss o, més comunament, en nanotesles. El resultat permet analitzar la naturalesa vectorial del camp i les possibles variacions locals degudes a estructures geològiques, activitat solar o factors antròpics.
Aplicacions tecnològiques i científiques del magnetisme i el seu mesurament
Electrònica i electrodomèstics
El principi dacció del camp magnètic és la base de la immensa majoria dels motors, generadors elèctrics i transformadors presents a la vida moderna. Aquests dispositius converteixen energia mecànica en elèctrica (i viceversa), i funcionen gràcies a les forces magnètiques que actuen sobre conductors en moviment al si d'un camp.
Els relés electromagnètics, per exemple, permeten la commutació automàtica de circuits en infinitat d'aplicacions, des de timbres fins a grans sistemes industrials, basant-se en les propietats del magnetisme i la inducció.
Comunicacions i emmagatzematge d'informació
El magnetisme és també la base del funcionament de memòries magnètiques (discos durs, cintes, targetes), altaveus, micròfons dinàmics i nombrosos sensors emprats en dispositius electrònics i sistemes de control automàtic.
En laboratoris i en experiments científics, el registre precís de camps magnètics amb gaussímetres avançats és imprescindible per desenvolupar noves tecnologies, estudiar materials innovadors i descobrir noves aplicacions a l'era de la intel·ligència artificial i Internet de les coses.
Exploració espacial, drones i automoció
El desenvolupament de motors elèctrics eficients i lleugers ha permès l'aparició de robots, drones i vehicles autònoms, tant a terra com a l'espai. Molts daquests sistemes utilitzen sensors magnètics d'alta precisió per a navegació, posicionament i correcció de trajectòries. Els drones de lliurament, els rovers espacials i els vehicles elèctrics de darrera generació tenen múltiples sensors de camp magnètic integrats.
Sanitat i protecció radiològica
En medicina, la ressonància magnètica depèn del control precís del camp magnètic per obtenir imatges diagnòstiques fiables i segures. El control de qualitat, el calibratge i el monitoratge d'aquests camps es fa amb gaussímetres d'alta resolució.
Reptes en el mesurament i control dels camps magnètics actuals
El mesurament precís de camps magnètics planteja desafiaments tècnics i científics, tant en el manteniment de la precisió a llarg termini com en la reducció d'errors provocats per interferències, canvis en les propietats del sensor o variacions ambientals. Per això, el desenvolupament de sensors robusts, sistemes automàtics de calibratge i tecnologies sense fil constitueix una de les tendències més puixants del sector.
A més, l'expansió dels camps magnètics artificials generats per la tecnologia moderna (línies d'alta tensió, antenes, transformadors, dispositius electrònics) ha obert noves línies d'estudi sobre els possibles efectes en el medi ambient i la salut humana, així com la necessitat d'establir normatives i procediments de control adequats.
Futur i tendències en el mesurament del camp magnètic
La integració dels sistemes de sensorització magnètica a la indústria 4.0, la miniaturització de dispositius portàtils, l'aparició de sistemes de registre i processament massiu de dades (big data) i la digitalització dels mesuraments permeten imaginar un futur amb sensors magnètics intel·ligents, capaços d'integrar-se a teixits, vehicles autònoms, satèl·lits i dispositius personals.
En geofísica, la monitorització en temps real del camp terrestre, el desenvolupament d'observatoris automatitzats, la creació de models globals de variació magnètica i l'aplicació d'intel·ligència artificial per predir tempestes solars o tendències geodinàmiques representen una frontera de recerca i desenvolupament de gran impacte social i científic.
El camp magnètic ens envolta, influeix en la vida i en la tecnologia i continua oferint reptes i oportunitats per a l'exploració científica, la innovació tècnica i la protecció del nostre planeta davant d'amenaces externes i internes. El seu mesurament precís, l'enteniment de les seves propietats i la capacitat de manipular-lo amb eines cada cop més sofisticades seguiran marcant avenços clau en les properes dècades. A dia d'avui, entendre com mesurar-ho, interpretar-ho i aprofitar-ho és tan rellevant com ho va ser per als navegants xinesos del segle XI o els físics del segle XIX: seguim navegant, però ara als mars de la tecnologia i el coneixement.