Campo magnético: intensidad, características, fuentes, ejemplos
El campo magnético es la influencia que tienen las cargas eléctricas en movimiento sobre el espacio que las rodea. Las cargas siempre tienen campo eléctrico, pero solamente las que están en movimiento pueden generar efectos magnéticos.
La existencia del magnetismo se conoce desde hace mucho. Los antiguos griegos describieron un mineral capaz de atraer pequeños trozos de hierro: era la piedra imán o magnetita.
Los sabios Tales de Mileto y Platón se ocuparon de registrar los efectos magnéticos en sus escritos; por cierto, también conocieron la electricidad estática.
Pero el magnetismo no llegó a asociarse con la electricidad sino hasta el siglo XIX, cuando Hans Christian Oersted observó que la brújula se desviaba en las cercanías de un alambre conductor que transportaba corriente.
Hoy en día sabemos que la electricidad y el magnetismo son, por así decirlo, dos caras de una misma moneda.
Índice del artículo
- 1 Campo magnético en física
- 2 Características de un campo magnético
- 3 Fuentes
- 4 ¿Cómo se genera un campo magnético?
- 5 Tipos
- 6 Ejemplos
- 7 Referencias
En física, el término campo magnético es una magnitud vectorial, con módulo (su valor numérico), dirección en el espacio y sentido. Además tiene dos acepciones. La primera es un vector que en ocasiones se denomina inducción magnética y se denota con B.
La unidad de B en el Sistema Internacional de Unidades es el tesla, abreviado T. La otra magnitud llamada también campo magnético es H, conocida también como intensidad de campo magnético y cuya unidad es amperio/metro.
Ambas magnitudes son proporcionales, pero se definen de esta forma para tomar en cuenta los efectos que los materiales magnéticos tienen sobre los campos que los atraviesan.
Si a un material se le coloca en medio de un campo magnético externo, el campo resultante dependerá de este y también de la respuesta magnética propia del material. Por eso B y H están relacionados mediante:
B = μmH
Aquí μm es una constante que depende del material y tiene unidades adecuadas para que al multiplicar por H el resultado sea tesla.
-El campo magnético es una magnitud vectorial, por lo tanto posee magnitud, dirección y sentido.
-La unidad del campo magnético B en el Sistema Internacional es el tesla, abreviado como T, mientras que H es ampere/metro. Otras unidades que aparecen frecuentemente en la literatura son el gauss (G) y el oersted.
-Las líneas de campo magnético siempre son lazos cerrados, que salen de un polo norte y entran a un polo sur. El campo siempre es tangente a las líneas.
-Los polos magnéticos siempre se presentan en pareja Norte-Sur. No es posible tener un polo magnético aislado.
-Se origina siempre en el movimiento de cargas eléctricas.
-Su intensidad es proporcional a la magnitud de la carga o la corriente que lo produce.
-La magnitud del campo magnético decrece con el inverso al cuadrado de la distancia.
-Los campos magnéticos pueden ser constantes o variables, tanto el tiempo como en el espacio.
-Un campo magnético es capaz de ejercer una fuerza magnética sobre una carga en movimiento o sobre un alambre que transporte corriente.
Un imán de barra siempre tiene dos polos magnéticos: el polo norte y el polo sur. Es muy fácil comprobar que los polos de igual signo se repelen, mientras que los de diferente tipo se atraen.
Esto se parece bastante a lo que sucede con las cargas eléctricas. También se puede observar que cuanto más cercanos estén, mayor es la fuerza con que se atraen o se repelen.
Los imanes de barra tienen un patrón distintivo de líneas de campo. Son curvas cerradas, que salen del polo norte y entran al polo sur.
Un experimento sencillo para observar estas líneas, consiste en esparcir limaduras de hierro encima de una hoja de papel y colocar un imán de barra por debajo.
La intensidad del campo magnético viene dada en función de la densidad de líneas de campo. Estas siempre son más densas cerca de los polos, y se extienden a medida que nos alejamos del imán.
Al imán también se lo conoce como un dipolo magnético, en el que los dos polos son precisamente los polos magnéticos norte y sur.
Pero nunca pueden separarse. Si se corta el imán a la mitad, se obtienen dos imanes, cada uno con sus respectivos polos norte y sur. A los polos aislados se les llama monopolos magnéticos, pero hasta la fecha no se ha conseguido aislar alguno.
Puede hablarse de diversas fuentes de campo magnético. Van desde minerales magnéticos, pasando por la propia Tierra, que se comporta como un gran imán, hasta llegar a los electroimanes.
Pero lo cierto es que todo campo magnético tiene su origen en el movimiento de partículas cargadas.
Más adelante veremos que la fuente primordial de todo magnetismo reside en las minúsculas corrientes en el interior del átomo, principalmente las que se producen debido a los movimientos de los electrones alrededor del núcleo y a los efectos cuánticos presentes en el átomo.
Sin embargo en cuanto a su origen macroscópico, puede pensarse en fuentes naturales y fuentes artificiales.
Las fuentes naturales en principio no se “apagan”, son imanes permanentes, sin embargo hay que tomar en cuenta que el calor destruye el magnetismo propio de las sustancias.
En cuanto a las fuentes artificiales, el efecto magnético se puede suprimir y controlar. Por lo tanto tenemos:
-Imanes de origen natural, hechos de minerales magnéticos como magnetita y maghemita, ambos óxidos de hierro, por ejemplo.
-Corrientes eléctrica y electroimanes.
En la naturaleza existen diversos compuestos que exhiben notables propiedades magnéticas. Son capaces de atraer trozos de hierro y níquel, por ejemplo, así como a otros imanes.
Los óxidos de hierro mencionados, como la magnetita y la maghemita, son ejemplos de esta clase de sustancias.
La susceptibilidad magnética es el parámetro que se utiliza para cuantificar las propiedades magnéticas de las rocas. Las rocas ígneas básicas son las de más alta susceptibilidad, por su alto contenido de magnetita.
Por otra parte, siempre que se tenga un alambre que transporte corriente, existirá un campo magnético asociado. Aquí tenemos otra forma de generar un campo, que en este caso, adopta la forma de circunferencias concéntricas con el alambre.
El sentido de circulación del campo viene dado por la regla del pulgar derecho. Cuando el pulgar de la mano derecha apunta en la dirección de la corriente, los cuatro dedos restantes indicarán el sentido en que se curvan las líneas de campo.
Un electroimán es un dispositivo que produce magnetismo a partir de corrientes eléctricas. Tiene la ventaja de poder encenderse y apagarse a voluntad. Cuando la corriente cesa, el campo magnético desaparece. Además la intensidad del campo también se puede controlar.
Los electroimanes forman parte de diversos dispositivos, entre los que se encuentran altavoces, discos duros, motores y relés, entre otros.
Se puede comprobar la existencia de un campo magnéticoB mediante una carga eléctrica de prueba -llamada q- y que se mueva con velocidad v. Para ello se descarta, al menos por el momento, la presencia de campos eléctricos y gravitacionales.
En tal caso, la fuerza que experimenta la carga q, a la cual se denota como FB, se debe íntegramente a la influencia del campo. Cualitativamente se observa lo siguiente:
-La magnitud de FB es proporcional a q y a la rapidez v.
-Si la v es paralela al vector campo magnético, la magnitud de FB es cero.
-La fuerza magnética es perpendicular tanto a v como a B.
-Finalmente, la magnitud de la fuerza magnética es proporcional a sen θ, siendo θ el ángulo entre el vector velocidad y el vector campo magnético.
Todo lo anterior es válido tanto para cargas positivas como para cargas negativas. La única diferencia es que el sentido de la fuerza magnética se invierte.
Estas observaciones concuerdan con el producto vectorial entre dos vectores, de modo que la fuerza magnética experimentada por una carga puntual q, que se mueve con velocidad v en medio de un campo magnético es:
FB = q vx B
Cuyo módulo es:
FB = q.v.B.sen θ
Hay varias maneras, por ejemplo:
-Mediante imantación de una sustancia apropiada.
-Haciendo pasar una corriente eléctrica por un alambre conductor.
Pero el origen del magnetismo en la materia se explica recordando que debe estar asociado al movimiento de cargas.
Un electrón orbitando al núcleo es en esencia un minúsculo circuito cerrado de corriente, pero capaz de contribuir sustancialmente al magnetismo del átomo. Hay muchísimos electrones en un pedazo de material magnético.
Esta contribución al magnetismo del átomo se llama momento magnético orbital. Pero hay más, porque la traslación no es el único movimiento del electrón. Este también posee momento magnético de espín, un efecto cuántico cuya analogía es la de una rotación del electrón sobre su eje.
De hecho, el momento magnético de espín es la causa principal del magnetismo de un átomo.
El campo magnético es capaz de adoptar muchas formas, dependiendo de la distribución de corrientes que lo origine. A su vez, puede variar no solamente en el espacio, sino también en el tiempo o en ambos a la vez.
-En las cercanías de los polos de un electroimán se tiene un campo aproximadamente constante.
-También en el interior de un solenoide se obtiene un campo de alta intensidad y uniforme, con las líneas de campo dirigidas a lo largo del eje axial.
-El campo magnético de la Tierra se aproxima bastante bien al campo de un imán de barra, sobre todo en las cercanías de la superficie. Más lejos, el viento solar modifica las corrientes eléctricas y lo deforma notablemente.
-Un alambre que transporta corriente posee un campo en forma de circunferencias concéntricas con el alambre.
En cuanto a si el campo puede o no variar en el tiempo, se tienen:
-Campos magnéticos estáticos, cuando ni su magnitud ni su dirección cambian con el tiempo. El campo de un imán de barra es un buen ejemplo de este tipo de campo. También los que se originan por alambres que transportan corrientes estacionarias.
-Campos variables con el tiempo, si alguna de sus características varía con el tiempo. Una forma de obtenerlos es a partir de generadores de corriente alterna, que hacen uso del fenómeno de inducción magnética. Se encuentran en numerosos dispositivos de uso común, por ejemplo teléfonos celulares.
Cuando se requiere calcular la forma del campo magnético producido por una distribución de corrientes, se puede hacer uso de la ley de Biot-Savart, descubierta en 1820 por los físicos franceses Jean Marie Biot (1774-1862) y Felix Savart (1791-1841).
Para algunas distribuciones de corriente con geometrías sencillas, se puede obtener directamente una expresión matemática para el vector campo magnético.
Supongamos que se tiene un segmento de alambre de longitud diferencial dl que transporta una corriente eléctrica I. También se supondrá que el alambre está en el vacío. El campo magnético que produce esta distribución:
-Decrece con el inverso al cuadrado de la distancia al alambre.
-Es proporcional a la intensidad de la corriente I que transita por el alambre.
-Su dirección es tangencial a la circunferencia de radio r centrada en el alambre y su sentido viene dado, por la regla del pulgar derecho.
–μo = 4π. 10-7 T.m/ A
–dB es un diferencial de campo magnético.
–I es la intensidad de la corriente que circula por el alambre.
–r es la distancia entre el centro del alambre y el punto donde se desea hallar el campo.
-dl es el vector cuya magnitud es la longitud del segmento diferencial dl.
-r es el vector que va desde el alambre hasta el punto donde se desea calcular el campo.
A continuación hay dos ejemplos de campo magnético y sus expresiones analíticas.
Mediante la ley de Biot-Savart se puede obtener el campo producido por un delgado alambre conductor finito que transporta una corriente I. Al efectuar la integración a lo largo del conductor y tomando el caso límite en que este es muy largo, la magnitud del campo resulta:
La bobina de Helmholtz está formada por dos bobinas circulares idénticas y concéntricas, a las que se les hace pasar la misma corriente. Sirven para crear un campo magnético aproximadamente uniforme en su interior.
Su magnitud en el centro de la bobina es:
Y está dirigido a lo largo del eje axial. Los factores de la ecuación son:
–N representa el número de vueltas de las bobinas
–I es la magnitud de la corriente
–μo es la permeabilidad magnética del vacío
–R es el radio de las bobinas.
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