Las fuerzas magnéticas
Los imanes y el magnetismo
Hace aproximadamente 2000 años, en una ciudad antigua llamada Magnesia, se
encontraron fragmentos de piedra de imán o magnetita (un óxido de hierro), este
hallazgo fue uno de los primeros fenómenos magnéticos que se han observado.
Estos imanes naturales atraían pequeños trozos de hierro no magnetizados; a esta fuerza de atracción se le ha llamado
magnetismo, y al objeto que ejerce una
fuerza magnética se le asignó el nombre de
imán.
Los imanes y el magnetismo
Los imanes y el magnetismo
Los imanes y el magnetismo
Los imanes y el magnetismo
"Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se
atraen".
Los polos aislados no existen; en un imán, no importa cuántas veces se rompa por la mitad, cada pieza resultante será un imán, con un polo norte y uno sur. No se conoce una sola partícula que sea capaz de crear un campo magnético de una manera
similar a como un protón o electrón
pueden crear un campo eléctrico.
Los imanes y el magnetismo
Industrialmente, los materiales
ferrosos que han sido desechados y se arrojan a la basura pueden ser
separados posteriormente, mediante
imanes, para su reutilización.
Regiones magnéticas
Por lo general, los imanes están rodeados por un espacio en el cual se manifiestan sus
efectos magnéticos; dicho espacio se denomina campo magnético.
Regiones magnéticas
Al igual que las líneas del campo eléctrico fueron útiles para describir los campos eléctricos, las líneas de campo magnético, llamadas líneas de flujo, son muy convenientes para visualizar los campos magnéticos. En cualquier punto, la dirección de una línea de flujo tiene la misma dirección de la fuerza magnética que actuaría sobre un imaginario polo norte aislado y colocado en ese punto
Regiones magnéticas
Principios teóricos del magnetismo
Se ha establecido en términos generales que el
magnetismo de la materia es el resultado del movimiento de los electrones en los átomos de las sustancias. Al
considerar esto, se tiene que el magnetismo es una propiedad de la carga en movimiento y está
estrechamente relacionado con el fenómeno eléctrico.
Principios teóricos del magnetismo
Otras teorías clásicas afirman que los átomos individuales de una sustancia magnética son, en efecto, diminutos imanes con polos norte y sur. En los átomos, su polaridad magnética se basa principalmente en el espín de los electrones y se debe sólo en parte a sus movimientos orbitales alrededor del núcleo.
Sin embargo, con certeza se cree que los campos magnéticos de todas las partículas deben ser causados por cargas en movimiento, y tales modelos ayudan a describir los fenómenos.
Principios teóricos del magnetismo
En un material magnético, los átomos están agrupados en
microscópicas regiones magnéticas a las cuales se llama dominios. Se ha establecido que todos los átomos dentro de un dominio están
polarizados magnéticamente a lo largo de un eje cristalino
Principios teóricos del magnetismo
Principios teóricos del magnetismo
Una barra de hierro no magnetizada se puede transformar en un imán simplemente sosteniendo otro imán cerca de ella o en
contacto con ella; a este proceso se le conoce como inducción magnética
Principios teóricos del magnetismo
El magnetismo inducido presenta la característica de ser temporal, y cuando se retira el campo, los dominios
gradualmente vuelven a estar desorientados. Después de que el campo se ha eliminado, si los dominios permanecen
alineados en cierto grado, significa que el material está
permanentemente magnetizado. La capacidad de retener el magnetismo se conoce como retentividad.
Principios teóricos del magnetismo
La saturación magnética es otra propiedad de los
materiales magnéticos, la cual encuentra su explicación en la teoría del dominio. Esta indica que parece que
existe un límite para el grado de magnetización que
experimenta un material. Ya que se ha alcanzado dicho límite, ningún campo externo, por fuerte que sea, puede incrementar la magnetización; pues lo más seguro es que todos sus dominios ya se han alineado.
Densidad de flujo magnético
Densidad de flujo magnético
Se realiza una descripción de un campo magnético considerando al flujo magnético φ que pasa a través de una unidad de área
perpendicular An. A esta razón B se le llama densidad de flujo magnético.
En el Sistema Internacional, la unidad del flujo magnético es el weber (Wb); por lo tanto, la unidad de densidad de flujo debe ser webers por metro cuadrado, que se redefine como tesla (T).
Hoy en día, se emplea todavía una antigua unidad el gauss (G).
Matemáticamente, esto se expresa como:
1 T = 1 Wb/m2 = 104 G
Densidad de flujo magnético
En la región de un campo magnético, la
densidad de flujo magnético B es el número de líneas de flujo que pasan a través de la unidad de área perpendicular
al flujo.
Ejemplo: En la figura, se muestra una espira rectangular de 10 cm de ancho y 20 cm de largo, la cual forma un ángulo de 30° con respecto al flujo magnético.
Si la densidad de flujo es 0.3 T, calcule el flujo magnético f que penetra en la espira.
Ejemplo: En la figura, se muestra una espira rectangular de 10 cm de ancho y 20 cm de largo, la cual forma un ángulo de 30° con respecto al flujo magnético.
Si la densidad de flujo es 0.3 T, calcule el flujo magnético φ que penetra en la espira.
Sol.
El flujo que penetra al área efectiva, es la componente del área que es perpendicular al flujo. De esta forma, la ecuación
se convierte en:
φ = BA sen θ
φ =(0.3 T)(0.1 m × 0.2 m)(sen 30°) = (0.3 T) (0.02 m2)(0.5)
=3×10-3 Wb
Intensidad y permeabilidad
La permeabilidad de un medio es una característica que constituye la medida de su capacidad para establecer líneas de flujo magnético. Tanto mayor sea la
permeabilidad del medio, más líneas de flujo pasarán a través de la unidad de área.
En el espacio libre o vacío, la permeabilidad se denota con μ0 y en el Sistema Internacional, su unidad tiene la siguiente magnitud :
4π × 10 - 7 Wb/A × m 4π × 10- 7 T × m/A
Así, en el caso del vacío,
B = μ0H .
La densidad de flujo B también se conoce como inducción magnética.
Las cargas eléctricas y el campo magnético
Hans Oersted, a principios de la segunda década del siglo XIX realizó ante sus alumnos un experimento para observar que no hay interacción entre las cargas en movimiento y los
imanes; colocó la aguja magnética de una brújula cerca de un conductor.
Aproximadamente en el tiempo en que Oersted realizó su descubrimiento, Ampere encontró que existen fuerzas entre dos conductores por los que circulaba una corriente. Dos
alambres por los que fluía corriente en la misma dirección se atraían entre sí, mientras que corrientes con direcciones
opuestas originaban una fuerza de repulsión.
Posteriormente, Faraday descubrió que en un circuito
eléctrico, el movimiento de un imán al acercarse o alejarse producía una corriente en el circuito. La relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos ya no se pudo poner en duda. Hoy en día, los fenómenos magnéticos se explican en términos de cargas eléctricas en movimiento.
EFECTOS DE UN CAMPO MAGNÉTICO RESPECTO A UNA CARGA EN MOVIMIENTO
F = q v B sen θ
El ángulo θ indica la dirección de v con respecto a B . Para v y B, la fuerza F siempre es
perpendicular.
Ejemplo: En un campo magnético dirigido verticalmente hacia
abajo se proyecta un electrón de izquierda a derecha; la velocidad de éste es 2 × 10 6 m/s, y la densidad de flujo magnético del
campo es de 0.3 T. ¿Cuál será la magnitud y la dirección de la fuerza magnética ejercida sobre el electrón?
F = q v B sen θ = (1.6 × 10 - 19 C)(2 × 10 6 m/s)(0.3 T)(1)
= 9.6 × 10 - 14 N
CORRIENTES ELÉCTRICAS QUE CIRCULAN EN UN CAMPO MAGNÉTICO
Utilizando como referencia la figura, considere que el alambre ilustrado mide 8 cm, forma un ángulo de 30°
con respecto al campo B, cuyo valor es de 0.2 T. A través del alambre pasa una corriente de 4 A.
Encuentre la magnitud y la dirección de la fuerza resultante sobre el alambre.
F = BI L sen θ
=(0.2 T)(4 A)(0.08 m)(sen30°)
=0.032 N
