Fundamentos de Magnetismo y Fuerza Magnética

Fenomenología Magnética

El imán es capaz de atraer objetos de hierro. Posee dos polos: norte y sur. Si se rompe un imán, vuelven a aparecer los dos polos. Dos polos iguales se repelen y dos contrarios se atraen.

La magnetita es un mineral capaz de atraer objetos de hierro; es un imán natural conocido desde la antigüedad. La brújula es un instrumento de orientación surgido en el siglo XI en China. Utiliza el campo magnético terrestre, ya que la Tierra es un imán gigante. Se compone de una aguja que gira sobre un plano horizontal; la aguja se alinea con las líneas de campo, indicando el sur magnético, muy aproximado al norte geográfico.

Experiencia de Oersted

Hans Christian Oersted colocó un conductor sobre una aguja imantada, de modo que el hilo conductor y la aguja quedaran paralelos. Después, hizo pasar corriente eléctrica por el hilo y observó que la aguja oscilaba hasta colocarse perpendicular al hilo. También comprobó que, al cambiar el sentido de la corriente, la aguja se desviaba en sentido contrario.

Deducciones de la Experiencia

• Una corriente eléctrica crea un campo magnético perpendicular al sentido de la corriente.
• El sentido de la intensidad del campo magnético creado depende directamente del sentido de la corriente eléctrica.

Si se espolvorean limaduras de hierro sobre una cartulina atravesada por un hilo y se hace pasar corriente por él, las limaduras se ordenan en circunferencias concéntricas con centro en el punto de corte del hilo con la cartulina. Se deduce que las líneas de campo magnético son cerradas, constituyendo un campo solenoidal. En el interior del imán, las líneas van del polo sur al norte; en el exterior, van del norte al sur. Esto justifica que no existan polos magnéticos aislados (monopolos).

Campo Magnético y Fuerza Magnética sobre Cargas

El campo magnético es la perturbación que un imán o corriente eléctrica produce en el espacio que lo rodea. El campo solo afecta a cargas eléctricas en movimiento, las cuales, a través de una fuerza magnética, ven modificada su trayectoria. En cambio, una carga en reposo no se ve afectada por el campo magnético.

A diferencia de las líneas del campo eléctrico, en el campo magnético las líneas de campo son siempre cerradas. En el exterior salen del polo norte y entran por el polo sur. En el campo magnético, las líneas de campo indican la dirección y sentido de la fuerza magnética ejercida.

Fuerza sobre una Carga en Movimiento

Consideremos una carga +q que entra con una velocidad v en un campo magnético B. La partícula comienza a describir una trayectoria curva o giro debido a que una fuerza magnética actúa sobre ella.

La fuerza magnética (F_m) es directamente proporcional al valor de la carga, a la velocidad y a la intensidad del campo. Depende del ángulo formado por v y B, tal que:

F_m = q · (v × B)

Si la partícula entra con la misma dirección de B (es decir, si v y B son paralelas), el campo magnético no actúa sobre ella y continúa con una trayectoria rectilínea. Al ser paralelas, α = 0°, sen(0°) = 0 y, por tanto, F_m = 0.

F_m es perpendicular al plano formado por v y B. El sentido se calcula según la regla del sacacorchos (o de la mano derecha), llevando el vector v sobre B. No existe una fórmula directa aislada para definir el campo magnético, por lo que su módulo se calcula despejando la fórmula de la fuerza magnética:

F = q · v · B · sen(α) ⇒ para α = 90°, F = q · v · B ⇒ B = F / (q · v)

La unidad del campo magnético en el Sistema Internacional es el Tesla (T).

Acción Simultánea de Campos Eléctricos y Magnéticos

Estudiamos la fuerza que actúa sobre una partícula sometida a un campo eléctrico (E) y a un campo magnético (B) simultáneamente (fuerza de Lorentz). Vamos variando la diferencia de potencial hasta compensar la fuerza eléctrica con la magnética, logrando que la trayectoria sea rectilínea:

F_e = F_m ⇒ F_t = q · (E + v × B)

Casos de Estudio de Dirección y Sentido

1. Caso 1: Campo magnético perpendicular al papel hacia fuera. Carga positiva (+). Velocidad perpendicular al campo.
2. Caso 2: Campo magnético perpendicular al papel hacia dentro. Carga negativa (-). Velocidad perpendicular al campo.