Magnetismo
¿Cuál sería tu respuesta si te preguntan cómo funciona un motor eléctrico?, ¿O un horno microondas?, ¿Qué es una fuerza magnética?, ¿Cuál es su naturaleza?
¿Sabes por qué un imán atrae a los clavos y clips, mientras que a otro imán lo puede repeler?
Todo nuestro mundo utiliza fuerzas magnéticas, ya que sin ellas no habría motores eléctricos, ni parlantes, ni impresoras, entre otros muchos artefactos. Los aspectos más cotidianos del magnetismo son asociados a imanes permanentes que atraen objetos no magnetizados de hierro y que también pueden atraer o repeler a otros imanes. Un ejemplo de dicha interacción ocurre cuando la aguja de una brújula se alinea con el campo magnético de la Tierra.
¿Cuál es la naturaleza del magnetismo? ¿Qué relación existe entre corriente eléctrica y magnetismo?
Imanes
Desde la antigüedad se observó que ciertos minerales de hierro, como la magnetita, tenían la propiedad de atraer pequeños trozos de hierro. Esta propiedad, que no se puede explicar por medio de las interacciones gravitacionales o eléctricas, fue denominada magnetismo en honor a la antigua ciudad de Asia Menor, Magnesia, donde se encontraban estos minerales que reciben el nombre de imanes naturales.
Además de los imanes naturales, existen sustancias como el hierro, el cobalto y el níquel que pueden adquirir el magnetismo de una manera artificial, razón por la que reciben el nombre de imanes artificiales.
Una de las propiedades de los imanes rectos es que tienen dos regiones llamados polos, por lo que los extremos de una piedra imán se denominan polos magnéticos.
Para evitar confusiones con la notación de carga eléctrica positiva y negativa, a estos polos se les denomina norte (N) y sur (S), terminología proveniente del primer uso de la brújula magnética, que sirve para determinar la dirección del campo magnético.
El polo norte de un imán de brújula se definió históricamente como el extremo que da hacia el norte, el que tiende a apuntar al norte geográfico de la Tierra.
Estudios posteriores indicaron que dos polos iguales se rechazan, mientras que dos polos distintos se atraen.
Nombre estudiante:
Fecha: 19 al 30 de octubre Nivel 4º medio
Asignatura: Física Competencia(s) Fisc4
Docente autor: Elsa Fernández [email protected] Educadoras PIE Constanza Sáez [email protected]
Carolina Villagrán [email protected] Desempeño: Conocen nociones del magnetismo
Ahora, ¿qué sucedería si cortáramos un imán en dos partes?
Si un imán se parte por la mitad, o en dos partes, el imán se convierte en dos imanes nuevos, cada uno con polos norte y sur.
El concepto de polo magnético puede parecer similar al de carga eléctrica, pero no, polo norte y polo sur no son similares a los de carga positiva y negativa, ya que no hay pruebas experimentales de la existencia de un único polo
magnético aislado o monopolo magnético.
En un imán la capacidad de atracción es mayor en los polos.
La región del espacio donde se pone en manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético.
Este campo magnético se representa mediante líneas de fuerza, que son imaginarias y cerradas, que van del polo norte al polo sur. La intensidad del campo magnético es mayor donde están más juntas las líneas.
Campo magnético terrestre
La Tierra es un gigantesco imán; sus polos magnéticos se encuentran casi a 2000km de los polos geográficos.
El polo norte magnético corresponde al sur geográfico.
El campo magnético de la Tierra desvía gran parte de las partículas cargadas de la radiación cósmica.
Brújula
La brújula es un instrumento con una aguja magnetizada con libertad de girar alrededor de un eje. La aguja de este instrumento se orienta indicando la dirección y el sentido Norte-Sur magnético.
Campo Magnético
Como recordaras, en electrostática, al actuar un campo eléctrico E sobre una carga q en reposo se producía sobre ella una fuerza F, cuyo modulo es F= q E.
En forma similar, una carga eléctrica móvil q’ crea en el espacio que la rodea un campo magnético B, el cuál actúa sobre cualquier otra carga q también en movimiento.
Ahora, cuando esta carga q está en movimiento en una región donde existe un campo magnético, se produce sobre ella una nueva fuerza, denominada fuerza magnética.
Luego la definición de campo magnético es más compleja que la de campo eléctrico, ya que está determinado por la magnitud y la dirección de la velocidad de la carga q.
Entonces, ¿cuándo existe un campo magnético? ¿Cuáles son la dirección, el sentido y la magnitud del campo magnético?
Existencia de un campo magnético
Existe un campo magnético en un región o punto, si sobre una carga q en movimiento que pasa por dicho punto, se ejerce una fuerza perpendicular a la dirección de la velocidad de esa carga eléctrica q (además, de la existencia de otras fuerzas, como gravitacionales y eléctricas que actúan también sobre dicha carga).
Dirección del campo magnético
Si la dirección de la velocidad de la carga q que se mueve en el campo magnético cambia, se observa que la fuerza es siempre perpendicular a la velocidad y que su magnitud varía. Pero, para una cierta dirección de la velocidad, la fuerza se anula.
Esta dirección se define como la del campo magnético, sin precisar su sentido.
Módulo del campo magnético
Cuando la velocidad v de la carga q es perpendicular a la dirección anterior, la fuerza es máxima y proporcional a v y a q.
Esto indica que si v no es perpendicular a la dirección del campo magnético, sino que forma un ángulo θ con el campo, el vector velocidad se puede separar en dos componentes: una de ellas en dirección de campo magnético (no produce fuerza, según lo explicado más arriba) y la otra, componente v⊥ = vsenθ, perpendicular al campo magnético que produce una fuerza proporcional a v⊥ y a q.
Así, la magnitud de la fuerza se puede escribir:
𝐹 = 𝐵 ∙ 𝑞 ∙ 𝑣
⊥= 𝐵 ∙ 𝑞 ∙ 𝑣 ∙ 𝑠𝑒𝑛ɵ
donde B es una constante que caracteriza en dicho punto al campo magnético, que se denomina inducción magnética, y que se define como:
𝐵 = 𝐹
𝑞 ∙ 𝑣 ∙ 𝑠𝑒𝑛ɵ
Si F se expresa en newton y v en m/s, la inducción magnética B se mide en tesla o en weber por metro cuadrado (Wb/m2).
Sentido del campo magnético y la regla de la mano derecha para fuerzas sobre cargas en movimiento
El sentido de la fuerza magnética sobre cualquier partícula cargada en movimiento está determinada por la orientación de la velocidad de la partícula en relación con el campo magnético. Ese sentido se determina con la regla de la mano derecha para fuerzas, la cual establece que los dedos de la mano (índice, medio, anular y meñique) apuntan en la dirección y sentido de la velocidad v, y se mueven después hacia la palma (en el ángulo menor) hacia el vector B, mientras que el pulgar extendido apunta en la dirección y sentido de la fuerza F.
Si la carga es negativa, el sentido de la fuerza se invierte.
El campo magnético siempre se trabaja perpendicular a un cierto plano, pero puede ser entrante o saliente de él, para ello usaremos la siguiente simbología:
Una partícula cargada que ingresa a un campo magnético, describe una trayectoria circunferencial, por lo tanto actúa sobre la partícula una fuerza centrípeta.
Movimiento circular en un campo magnético
1) La fuerza magnética es siempre perpendicular a la velocidad de la partícula.
En esta situación se cumple que:
- No realiza trabajo
- No hay variaciones de energía cinética ΔEc = 0
2) La velocidad de la partícula es perpendicular con el campo magnético B uniforme.
En este caso se cumple que:
- La fuerza no modifica el módulo de la velocidad, sólo la trayectoria de la partícula - Aceleración normal: a =v2/r.
- El movimiento es circunferencial y uniforme. (MCU)
- Se igualan las fuerzas: Fuerza magnética es igual a la Fuerza centrípeta, es decir:
- Luego el radio de la trayectoria circular será r =mv/ qB
F = Fc qvB = ma qvB= mv2/ r
Entrante: X o Saliente:
∙
o
Campo entrante Campo saliente
Aplica
Dibuja la trayectoria de la partícula q, en los casos a y b
