CAMPO MAGNTICO (Tema 7 del libro de Editex) magntico Departamento de Fsica y Qumica-I.E.S. “Julin Maras”.Valladolid Pgina 2 fenmeno indica que las cargas elctricas en movimiento

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    CAMPO MAGNTICO (Tema 7 del libro de Editex) OBSERVACIN IMPORTANTE: En este tema los vectores que estn dirigidos en direccin perpendicular al plano del papel

    estarn representados por puntos (significando la punta de la flecha en caso de que el sentido sea hacia afuera, o sea hacia el lector) o por aspas x (que representan la cola de la flecha cuando el vector se dirige hacia el interior del papel atravesndolo).

    1 Campo magntico. Generalidades. Historia.

    Los fenmenos magnticos son conocidos desde los tiempos de la Grecia antigua. El nombre se debe a que fue observado en ciertas piedras procedentes de la regin de Magnesia que atraan al hierro e interaccionaban entre s. Este mineral se llam piedra imn y actualmente es conocido con el nombre de magnetita (xido ferroso-frrico Fe3O4).Esta propiedad no est relacionada con la gravitacin, puesto que no todos los cuerpos la poseen. Aparentemente tampoco lo est con la interaccin elctrica puesto que las cargas elctricas estticas no experimentaban influencia de los materiales magnticos, aunque el posterior desarrollo de los acontecimientos vino a demostrar que campo elctrico y campo magntico estn ntimamente relacionados, hasta tal punto que se suele hablar de los campos electromagnticos, siendo la interaccin elctrica la que se produce entre cargas estticas y la magntica la existente entre cargas en movimiento.

    No se obtena ninguna interaccin entre los imanes y las cargas elctricas obtenidas por frotamiento (cargas estticas). Adems la interaccin entre imanes presentaba diferencias con respecto a la interaccin entre cargas. Cuando ponemos un imn junto a otro, dependiendo de sus posiciones relativas aparecen giros, atracciones o repulsiones. El estudio de estos fenmenos llev a postular que en un imn existen dos regiones diferenciadas que se denominan polos magnticos, lugares en los que la fuerza magntica es ms intensa. Existen dos tipos de polos magnticos que se designan con las letras N y S, el primero apunta hacia el Norte geogrfico terrestre y el segundo hacia el Sur geogrfico. La interaccin entre polos magnticos del mismo nombre es repulsiva, entre los de distinto nombre es atractiva. Esto significa que LOS POLOS MAGNTICOS DE LA TIERRA ESTN INVERTIDOS RESPECTO DE LOS POLOS GEOGRFICOS, porque la brjula apunta su polo Norte hacia el Sur magntico del gigantesco imn que es la Tierra (que es el Norte geogrfico).

    El aspecto ms peculiar de los polos magnticos, en contraposicin a las cargas elctricas, es que no se pueden conseguir polos magnticos aislados. Si partimos un material magntico intentando separar los dos polos, en cada trozo obtenido surgen los dos polos, crendose dos nuevos imanes, por tanto no es posible obtener monopolos magnticos.(O mejor dicho, hasta la fecha no ha sido posible su deteccin a pesar de una intensa bsqueda)

    En una regin en la que un imn de prueba (una brjula) experimenta una fuerza que tiende a orientarlo, existe un campo magntico, cuya intensidad ser representada por el

    vector . Las lneas de campo son cerradas (a diferencia del elctrico) y por convenio se dibujan saliendo del polo norte y volviendo a entrar por el polo sur, por el exterior del imn, mientras que siguen de sur a norte por el interior, hasta completa el cierre de las lneas (ver dibujo superior). Una forma prctica de poner de manifiesto la existencia del campo magntico es esparcir limaduras de hierro en las proximidades del imn, ellas definen la

    forma de las lneas de campo magntico. Como en los campos anteriores, es tangente a las lneas de campo, tiene el mismo sentido que ellas: las lneas de campo no pueden cruzarse nunca (porque habra 2

    valores de la tangente, dos valores del distintos) y el n de ellas que atraviesan la unidad de superficie colocada

    perpendicularmente a la lneas coindice con el valor de | | en el centro de dicha superficie. | | se medir en una nueva unidad, el Tesla (T), que definiremos luego.

    1.1 Experimento de Oersted.

    Durante muchos aos no se encontr relacin entre los fenmenos elctricos y los magnticos. Hasta que un 21 de abril de 1820 el profesor Hans Cristian Oersted, durante el trascurso de una clase, coloc una aguja magntica sobre un hilo conductor horizontal que se diriga en la direccin geogrfica norte-sur. Mientras no pasaba corriente por el hilo la aguja no se mova, pero en el instante en que se haca pasar una corriente elctrica por el hilo, la aguja se orientaba perpendicularmente al hilo, lo que indica la existencia de un campo magntico perpendicular a la corriente. Este

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    fenmeno indica que las cargas elctricas en movimiento (eso es una corriente elctrica) producen campos magnticos. Se puede comprobar tambin mediante el mtodo de las limaduras.

    Un dato importante es que las lneas de campo son perpendiculares a la direccin de la corriente, formando

    circunferencias cuyo centro es el hilo. El sentido del campo se puede obtener mediante la regla de la mano derecha, de tal forma que el pulgar apunte en el sentido en que circula la corriente, el resto de los dedos al cerrarse indica el sentido de las lneas del campo magntico creado, que sern, como veremos luego, crculos concntricos al hilo conductor.

    1.2 Experimento de Faraday.

    Aunque lo estudiaremos con ms detalle ms adelante, es bueno seguir el hilo histrico para apreciar cmo se encontr la relacin inversa a la anterior, entre magnetismo y electricidad. Poco despus del experimento de Oersted, Michael Faraday (1831) se plante si ocurrira tambin el fenmeno contrario. Si una corriente elctrica poda producir un campo magntico (Oersted), podra un campo magntico producir una corriente elctrica, es decir, podra un campo magntico poner cargas en movimiento? Faraday plante un circuito en forma de espira conectado a un ampermetro (para detectar el paso de corriente) y coloc un imn en las proximidades de la espira. Cuando el imn no se mova, no haba corriente elctrica, pero si el imn se iba acercando a la espira apareca una corriente en el circuito, que era de sentido contrario si el imn se alejaba de la espira. Igual ocurre si se deja el imn fijo y lo que se acerca o aleja es la espira. Es decir, que si hay movimiento relativo entre ambos las cargas elctricas, los electrones del conductor en este caso, se ponen a circular. La conclusin que podemos obtener de esta experiencia es que una carga en movimiento relativo con respecto a un campo magntico experimenta una fuerza magntica que la hace moverse, produciendo una corriente elctrica.

    A modo de resumen:

    Oersted: Una carga en movimiento (corriente) produce un campo magntico.

    Faraday: Una carga en movimiento en un campo magntico experimenta una fuerza magntica.

    Tanto un imn como una carga elctrica en movimiento perturban al medio que los rodea, dotando

    a cada punto del espacio de una propiedad vectorial denominada campo magntico y que se manifiesta por la accin de una fuerza sobre otros imanes u otras partculas cargadas en movimiento

    De esta fuerza nos ocuparemos ahora. Hay que advertir que no seguiremos el orden cronolgico por ser ms sencillo desde un punto de vista didctico. Veremos primero como acta el campo magntico sobre una carga, un hilo con corriente y un circuito completo, y posteriormente estudiaremos como producir un campo magntico.

    2 Efectos del campo magntico.

    2.1 Fuerza sobre una carga en movimiento: Ley de Lorentz (1865).

    Una carga elctrica en reposo no experimenta influencia por parte de un campo magntico. Sin embargo una

    carga elctrica (q) experimenta una fuerza magntica ( ) cuando se mueve (con velocidad ) en el campo magntico ( ). El movimiento es determinante en la existencia de fuerza, puesto que sta no aparece si est en reposo ni tampoco si la direccin de movimiento es la del campo. Si la velocidad de la carga es perpendicular al campo magntico, la fuerza

    magntica que aparece es perpendicular a ambos (en general al plano formado por el vector campo y el vector velocidad ). Estos hechos llevaron a postular para la fuerza producida la siguiente expresin vectorial:

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    = ( ) [Ecuacin 1]

    Es decir, la fuerza magntica sobre una carga que se mueve con velocidad es perpendicular a dicha velocidad y a la intensidad del

    campo magntico . Por ser perpendicular a producir una aceleracin que slo tendr componente normal y producir un giro (el sentido de la fuerza nos indicar el centro de giro) y el mdulo de permanecer constante aunque no su direccin. Como la energa cintica permanece constante la conclusin que obtenemos es que el campo

    magntico no realiza trabajo sobre la carga ( y desplazamiento son perpendiculares).

    Ntese que la puede ir en el mismo sentido quue el productor

    vectorial si q es positiva o al revs si q es negativa. Es importante tambin recordar el orden correcto de la frmula, pues el producto vectorial no es conmutativo. Como la

    Podemos establecer las unidades de (vector intensidad del campo magntico) a partir de la anterior expresin. Si calculamos el mdulo:

    | | = ||| || |

    En el caso concreto de perpendicular a (sen =1)

    | | =| |

    ||| |

    La unidad de intensidad magntica ( ) en el sistema internacional se denomina Tesla (T, en honor a Nicola Tesla), que es la intensidad de un campo magntico tal, que ejerce una fuerza de 1 N sobre una carga de 1 C cuando se mueve en direccin perpendicular al campo con velocidad de 1 m/s.

    Un divisor del T es el Gauss (1T=104 G). El campo magntico terrestre oscila entr