Enseñanza del Geomagnetismo en una Clase de Ciencias de la Tierra

"La Tierra, el Gran Imán"

   Por un lado, la línea curricular convencional, que adjudica a la física solo un año en el grado 12º, a duras penas puede cubrir la riqueza del material de física. La cobertura de la electricidad y el magnetismo es particularmente vulnerable, por estar al final de la mayoría de líneas curriculares --especialmente el magnetismo, que sigue habitualmente a la electricidad.

   Por otro lado, no es fácil enseñar Ciencias de la Tierra. Es una materia heterogénea, explicada en la etapa de los estudios en que, para mejor o para peor, se evitan o minimizan las matemáticas (las ciencias de la tierra tienen muy pocas), incluso los profesores tienen que evitar la memorización rutinaria. Esto nos sugiere un curso medio, una exposición cualitativa que haga al estudiante apreciar la interconexión entre las interpretaciones y las observaciones científicas y que proporcione un amplio entendimiento sobre la evolución de la ciencia. Si posteriormente el estudiante domina las matemáticas necesarias, esta primera visión hace que sea más fácil asimilar los mismos temas a un nivel más exigente. El reto para el profesor es la integración de un curso cualitativo que siga un guión significativo y memorizable de los muchos temas tratados.

   El geomagnetismo y su evolución histórica puede proporcionar parte de ese guión. Este artículo describe un nuevo recurso para ayudar a los enseñantes a usarlo, un nuevo sitio en la web. Titulado "La Tierra, el Gran Imán" su página principal está en la URL

 http://www.phy6.org/earthmag/Mdmagint.htm
 
 

William Gilbert y sus trabajos

  Basó su afirmación en experimentos, usando un modelo a escala de la Tierra, un imán esférico que denominó "terrella" ("pequeña Tierra"). Moviendo una pequeña brújula sobre la superficie de la terrella, reprodujo todas las propiedades observadas de la aguja magnética --no solo su tendencia a apuntar hacia el norte cuando gira libre alrededor de un eje vertical, sino también su inclinación descendente hacia el interior de la Tierra cuando gira libre alrededor de un eje de este-oeste, un fenómeno descubierto unos 20 años antes.

   Los estudiantes del 9º grado pueden haber aprendido anteriormente lo que son los imanes permanentes y la brújula, quizás en la escuela elemental. Estudiando los trabajos de Gilbert, sin embargo, se introducen en el método científico --en la forma como evoluciona la ciencia y como se hacen los descubrimientos. Las afirmaciones científicas en los siglos anteriores a Gilbert --p.e. la que el olor del ajo debilitaba el magnetismo, que provocó que se prohibiera en los barcos-- estaban basadas, por lo general, en los dichos de los antiguos sabios (con falsos añadidos y con distorsiones), generalmente de los antiguos griegos y solo algunos de ellos llevaron a cabo observaciones cuidadosas. Gilbert fue uno de los primeros de su tiempo en reunir evidencias, realizar experimentos y analizar las observaciones. Siguiendo los razonamientos de Gilbert, lo mismo los que estaban acertados como los que no, el estudiante aprende a apreciar las dificultades con se encontraron los antiguos científicos hasta para extraer  las verdades más simples
 
 

Un Ejemplo: El Magnetismo Inducido

   Encontró la respuesta en lo que conocemos como "magnetismo inducido", el hecho de que el hierro normal se convierte en un imán temporal cuando se le coloca cerca de uno permanente, con una polaridad que provoca la atracción. Tome un imán e introdúzcalo en una caja llena de alfileres: algunos alfileres se adhieren al imán, que es lo que quizás se esperaba. Pero unos alfileres se adhieren con otros que a su vez están unidos al imán: esto sugiere que los alfileres se convierten en magnéticos.

   El método científico es intentar observar los fenómenos en un entorno controlado, sin influencias extrañas. Gilbert tomó tres barras idénticas A, B y C: la A era un imán, la B y la C eran de hierro común. Las colocó en fila y descubrió que ambas barras de hierro eran atraídas por la A. Luego retiró la barra del medio B y encontró que la C no era atraída: la que tiraba de ella no era el magnetismo permanente de la A, sino el magnetismo temporal de la B.

 Pero, ¡vayamos más allá! Gilbert sabía que la repulsión era una indicación mucho más fiable del magnetismo que la atracción. Por consiguiente, suspendió cada una de las barras B y C de una cuerda, de tal forma que estuviesen cercanas y colocó el polo de un potente imán a corta distancia por debajo de ellas. Las barras se repelían entre sí, mostrando que cada una se convertía en un imán temporal, de la misma polaridad (o sea, el extremo de la barra cercano al polo del imán adquiría una polaridad opuesta a la del polo).

   Así es como son los experimentos científicos.
 

De que consta este Sitio

  El resto de las secciones examinan el desarrollo del geomagnetismo desde los tiempos de Gilbert, a través del descubrimiento del electromagnetismo hasta la ciencia actual de las placas tectónicas (también conocida como "deriva continental"), los magnetómetros electrónicos y un estudio sobre el fumar llevado a cabo con su ayuda, la dinamo del centro de la Tierra, y el magnetismo solar, de los otros planetas y del espacio que rodea a la Tierra.

   Es un filón rico de material, con gran cantidad de anécdotas y personajes interesantes. El enseñante puede omitir o abreviar algunas partes, p.e. las dos últimas, dependiendo del nivel de la clase y del tiempo disponible. Debería disponerse en clase de una copia impresa, copiada de la web, y los estudiantes más avanzados pueden usarla, si están interesados, para explorar el tema en mayor profundidad.
 
 

Electromagnetismo

   "La Tierra, el Gran Imán" aproxima el tema históricamente. Las primeras muestras surgen con la variación lenta y gradual de magnetismo terrestre, observada una generación después de Gilbert. Esto era completamente inesperado y contrario al comportamiento de los imanes permanentes; dio una ingeniosa explicación Halley, el astrónomo que también predijo el retorno periódico de un gran cometa llamado posteriormente como él. La teoría de Halley proporciona otra visión de como avanza la ciencia: aunque sea muy equivocada, era la única forma en que se podían explicar las observaciones a la luz de lo que se conocía en 1700.

   Luego llegó 1820 y el trabajo de Oersted y Ampere, que observaron como las corrientes eléctricas producían fuerzas magnéticas. Después de esto Faraday expuso como esas corrientes podían ser producidas por el movimiento de conductores eléctricos en presencia de magnetismo, que es el principio del generador eléctrico o "dinamo".

   El profesor encontrará aquí una descripción bastante completa del descubrimiento de Oersted. Se puede aplicar a las ciencias de la Tierra y a la investigación actual una sección sobre las magnetitas, las rocas magnéticas que fueron los primeros recursos magnéticos de la humanidad, surgen naturalmente (aunque muy raramente). Se describen los trabajos más recientes, que sugieren que las magnetitas son magnetizadas por las breves pero potentes corrientes eléctricas asociadas al golpeo por relámpagos. Gilbert tuvo una idea de este proceso, en un informe (citado en el sitio web) de una barra de acero en lo alto de un campanario de una iglesia en Italia, que se encontró magnetizada. Él no se dio cuenta de que el relámpago era probablemente la causa; en vez de eso sugirió que el magnetismo de la barra provenía de la larga exposición a la influencia al magnetismo terrestre.
 
 

Dinamos Fluidas y Tectónica de Placas

  Estos flujos producen corrientes eléctricas que generan el campo magnético necesario para su propia producción. Verdaderamente, el argumento es algo circular (como el argumento del huevo y la gallina) --se necesita el producto final para comenzar el proceso-- pero en la práctica, este proceso puede comenzar con un débil campo inicial, que se amplifica rápidamente. Cuando el sentido de flujo cambia, el campo también cambia, explicando no solo la variación gradual observada en el campo geomagnético, sino también la inversión ocasional de su polaridad norte-sur, a intervalos de medio millón de años. 

  Las evidencias de esta inversiones se encuentran en las lavas volcánicas endurecidas que están ligeramente magnetizadas, en la misma dirección del campo magnético que existía cuando se enfriaron. Su magnetización no es muy diferente del efecto descrito por Gilbert --la de la barra de acero al rojo, trabajada por un herrero, que la mantiene alineada en la dirección norte-sur magnética cuando se enfría, se hace ligeramente magnética en la misma dirección. 

  Estas "grabaciones magnéticas" de las lavas del fondo de los océanos, proporcionan la indicación definitiva de la tectónica de placas, el movimiento continuo (de casi una pulgada anual) del fondo de los océanos y los continentes que están situados sobre las mismas "placas". La tectónica de placas explica este fenómeno como la separación paulatina del continente americano de los de Europa y África, tan evidente en las orillas de los continentes (como las piezas de un puzzle) y la rotación paulatina de la "Placa del Pacífico" del fondo oceánico, expresado en parte por el movimiento gradual de la Falla de San Andrés que se halla a lo largo de California.
 
 

La Ciencia contemporánea

  El profesor debe tener cuidado al presentar la teoría de la dinamo, un tema que, en su estado de investigación actual, implica matemáticas complejas. Incluso al nivel cualitativo del sitio web, puede crear problemas para algunos alumnos de 9º grado. Esta parte se puede abreviar u omitir y el profesor que la presente debe estar familiarizado con las secciones de la web relacionadas.

   El debate sobre las dinamos comienzan con el experimento de Faraday de 1831 en el Puente de Waterloo de Londres --sin éxito a pesar de ser una idea válida-- pasa por el ciclo de manchas solares, su relación con las "tormentas magnéticas" y el carácter magnético de la manchas, que proporcionaron la primera señal de las dinamos fluidas de la naturaleza. Desde allí el sitio prosigue con la teoría moderna de la dinamo, describiendo algunos de sus problemas matemáticos sin entrar en detalles.

   Del mismo modo, los relatos del magnetismo en el espacio --de la magnetosfera terrestre y de las de Júpiter, Saturno y otros planetas-- están muy abreviados. Se pensaron para proporcionar a los estudiantes (especialmente a los interesados en la exploración espacial) un atisbo del área frontera de la ciencia y haciéndoles ver que el material que estudian esta relacionado con ella.
 
 

Comentarios Finales

   En los colegios de los EE.UU., el curriculum de las Ciencias de la Tierra (así como la física y otras ciencias) está aún desarrollándose. El geomagnetismo puede jugar un papel importante aquí --añadiendo material relevante e interesante, preparando a los estudiantes para un estudio posterior del electromagnetismo y abriéndoles una pequeña ventana a otras áreas progresivas. Y gracias a la red, está accesible sin costo el material adecuado casi al momento, para los profesores y para los estudiantes a lo ancho de los EE.UU. y del mundo.