MAGNETISMO
El magnetismo es una propiedad que presentan algunas sustancias de atraer hacia ellas objetos que contengan hierro en su composición. A estas sustancias se les conoce como imanes.
Los imanes son están formados por dos polos, un polo norte y un polo sur. Cuando un imán tiene forma de barra, los objetos atraídos más fuertemente hacia los extremos del imán, es decir hacia sus polos.
Se cree que la fuente más probable de campo magnético es el movimiento de las cargas eléctricas, vale decir, al movimiento de los electrones en un átomo. Los electrones poseen dos tipos de movimiento:
- el orbital: en torno al núcleo del átomo
- el de spin: en torno a su propio eje creando un campo magnético
Brújula magnética:
Una barra magnética suspendida por su punto medio se orienta con el campo magnético terrestre, es decir, el polo norte magnético de la barra es atraído por el polo sur magnético de la Tierra, que a su vez está muy próximo al polo Norte geográfico, pero no coinciden. Esto quiere decir, que una brújula magnética trabaja alineando el norte magnético de un pequeño imán en forma de barra con el sur magnético de la Tierra que está próximo al Norte geográfico. Hay que tener presente entonces que las brújulas no apuntan exactamente al Norte de la Tierra, esta variación se conoce como declinación magnética.
Características del campo magnético B
Es una vector, tiene magnitud, dirección y sentido. El campo magnético no ejerce fuerzas sobre cargas en reposo. Las cargas que mueven por un campo magnético experimentan una fuerza magnética
La magnitud de la Fuerza magnética está dada por:
Fmagnética = q v B
La unidad de campo magnético en el SI es la Tesla [T]. Si una carga de 1 [C] se mueve a través de un campo de 1 [T] con una velocidad de 1 [m/s] perpendicular al campo, experimenta una fuerza magnética de 1 [N].
Fmagnética = q v B senθ donde θ es el ángulo entre v y B
Líneas de campo magnético: Sirven para representar un campo magnético, donde son más próximas el campo magnético será más intenso.
Convención para representar un campo magnético
Saliendo de la hoja ●
Entrando en la hoja X
En el plano de la hoja
Regla de la mano derecha: Esta regla es utilizada para determinar la dirección de una fuerza magnética F, que actúa sobre una carga q que se mueve con una velocidad ven un campo magnético.
Una carga positiva q, se mueve con velocidad v perpendicularmente al campo magnético B
Ley de Ampere
En 1819, Hans Oersted había descubierto que una brújula se desviaba cuando se encontraba próxima a un hilo conductor por el que circulaba corriente. La aguja se orientaba perpendicular al flujo de corriente.
Experimento de Oersted Campo magnético generado Regla de mano derecha por un conductor
Pero fue André Marie Ampere quien establece la ley que lleva su nombre y el vínculo entre electricidad y magnetismo, que es el fundamento del electromagnetismo
Si a un conductor se le hace circular una corriente I, y a su alrededor se colocan pequeñas brújulas, se puede observar que a medida que se aleja el conductor, el campo magnético que las orienta parece más débil,
por el contrario, si se acerca, perece que el campo crece en magnitud. De aquí se desprende que si la intensidad de corriente aumenta también aumenta la intensidad del campo magnético.
La regla de la mano derecha nos ayuda a ver la dirección del campo eléctrico generado por una corriente.
Movimiento de cargas en un campo magnético
Como se ha visto anteriormente, la fuerza que actúa sobre una carga que se mueve con velocidad v en un campo magnético B está dada por:
Fmagnética = q v B senθ
De acuerdo a ello, cuando una partícula con carga positiva se mueve en un campo magnético uniforme perpendicular a su movimiento experimenta una fuerza magnética dirigida siempre hacia el centro, que considerando el sentido del campo, la obliga a efectuar un movimiento con una trayectoria circular (ver figura). En caso que la partícula sea negativa, el movimiento ocurrirá en sentido contrario.
Una partícula cargada en presencia de un campo magnético uniforme experimenta una fuerza magnética (Fuerza de Lorentz) que la obliga a desarrollar un movimiento en trayectoria circular
Fuerza sobre un alambre con corriente en un campo magnético
Debido a que una corriente I es un conjunto de partículas cargadas en movimiento, no es sorprendente que un alambre por el que se mueve una corriente experimente fuerzas en presencia de una campo magnético.
Considérese un alambre de longitud L por el que circula una corriente I en presencia de una campo magnético B. Cuando la corriente y el campo magnético son perpendiculares, la magnitud de la fuerza sobre el alambre está dada por la expresión:
FMagnética = B i L
La dirección de la fuerza magnética puede obtenerse con la regla de la mano derecha
Debido a que una corriente en un conductor crea su propio campo magnético, es fácil entender que los conductores portadores de corrientes interactúen a través de sus campos magnéticos. El carácter atractivo o repulsivo de las fuerzas va a depender del sentido de las corrientes. Se pueden presentar dos situaciones:
A) Dos conductores con el mismo sentido de la corriente, generan fuerzas magnéticas de atracción.
Problemas Propuestos
1. Un segmento de alambre recto de 25 cm de longitud conduce una corriente de 5 [A]. Si el alambre se coloca perpendicular a un campo magnético de 0,6 [T]. ¿Qué magnitud tiene la fuerza magnética sobre el alambre?
2. Un alambre de 4,5 m de longitud conduce una corriente de 12,5 [A] en sentido norte. Si la fuerza magnética sobre el alambre debido a un campo magnético uniforme es 1,1 · 103 [N]
hacia el este. ¿Cuál es la magnitud y la dirección del campo magnético?
3. ¿Cuál es la magnitud de la Fuerza de Lorentz sobre el electrón cuya velocidad es de 2 · 106
[m/s] en un campo magnético de 2 · 10-2 [T] dirigido perpendicularmente sobre la velocidad?
¿Qué intensidad de campo eléctrico se necesitaría para producir una fuerza igual?
4. Una corriente de 5 [A] fluye por un alambre de 1 [m] de largo. El alambre está colocado perpendicular a un campo magnético uniforme. Si la fuerza que actúa sobre un alambre es de 0,2 [N] encuentre la magnitud de la intensidad del campo magnético
5. Dos alambres rectos y paralelos que conducen corriente eléctrica en el mismo sentido ejercen sobre el otro una fuerza magnética. Esta fuerza ¿es de atracción o de repulsión?
6. Un conductor recto de un metro se encuentra perpendicular a un campo magnético. Cuando lleva una intensidad de corriente de 20 A se ejerce sobre él una fuerza magnética de 4 N. ¿Cuál es la intensidad del campo magnético? Resp: 0,2 T.
7. Dos cables eléctricos de 20 m de largo están separados entre sí 3 mm y cada uno lleva una corriente de 8 A en direcciones opuestas. ¿Qué valor tiene la fuerza magnética entre ellos?; ¿Se trata de una fuerza de atracción o de repulsión?. Resp: 8,5 x 10-3 N, se repelen.
8. ¿Cuál debe ser la corriente que transportan dos cables, paralelos entre si, separados una distancia de 1 m para que la fuerza entre ellos sea de 0,1 N, si la longitud de los cables es 50 m? Resp: 100 A
9. ¿Cuál es la intensidad del campo magnético a 15 cm de un cable que transporta un corriente de 30 A? Resp: 4 x 10-5 T
