CAMPO MAGNÉTICO

Un campo magnético es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas, y de una propiedad intrínseca de las partículas elementales, llamada spin.

El magnetismo es uno de los dos componentes del electromagnetismo, y es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.

A continuación se expondrá breve y conjuntamente las principales ideas extraídas de una serie de videos anteriormente vistos, y que hacen referencia al magnetismo, campo magnético, inducción electromagnética y electromagnetismo. Así mismo, se añaden explicaciones, y un conjunto de experimentos presenciados para mayor comprensión del tema.

Uno de los aportes al magnetismo fue el del físico inglés William Gilbert, sobre el descubrimiento de que puede destruirse un material magnético al calentarlo, como ocurre al calentar un alambre de hierro, pasando una fuerte corriente a través de él; pero este alambre se restablece cuando el material se enfría de nuevo. Esto mismo ocurre con otros materiales magnéticos como el gadolinio, enfriándolo con nitrógeno liquido.

Un imán está formado por dos polos: norte y sur. En el magnetismo los polos iguales se repelen y los opuestos se atraen. A diferencia de las cargas eléctricas, los polos magnéticos siempre se presentan en pares: iguales y opuestos. Si se intenta cortar un imán en dos para separar los dos polos los puntos por donde se efectúo el corte crearán sus propios polos, de manera que cada fragmento continúa teniendo un polo norte y un polo sur.

Se habla de la posibilidad de que exista en el universo un monopolo magnético, como consecuencia del Big Bang pero aunque se detectó en un experimento un monopolo magnético, no se ha podido repetir este resultado.

Sin embargo si se puede hablar de dipolos magnéticos, los cuales son dos polos ligados formando un único imán. La base de su estudio fue sentada por William Gilbert, quien representó a la Tierra como un imán gigante. Las líneas magnéticas de fuerza de la Tierra salen de la superficie en un hemisferio y entran en el otro. El esquema que siguen esas líneas de fuerza es muy similar al de las líneas de una barra imantada.

El campo magnético de la Tierra es generado por un dipolo que apunta hacia el sur. Es esto lo que hace que las agujas de las brújulas apunten al norte. Se puede decir que sin importar el punto de destino, la aguja de una brújula señala el norte porque se alinea con el campo magnético terrestre; esto se debe a que en un campo magnético el imán experimenta fuerzas iguales y opuestas en sus polos, lo que provoca un par o rotación, y así tiende a alinearse con el campo.

Se puede definir el flujo magnético como el flujo del campo a través de una superficie. El flujo magnético a través de un pequeño elemento de la superficie es igual al área multiplicada por la componente del campo magnético perpendicular a él. El flujo total es la suma o integral de todo el flujo a través de la superficie.

Para un dipolo magnético la Ley de Gauss se aplica, y el flujo saliente del polo norte es igual al flujo entrante del polo sur. Por lo tanto, el flujo magnético a través de una superficie cerrada es cero.

En el caso del campo magnético de la Tierra, éste está producido por el flujo de corrientes eléctricas en las profundidades de la Tierra, debido al movimiento de estos materiales conductores fundidos, tales como níquel y hierro.El campo magnético de la Tierra y del Sol, no son fijos, la de la Tierra cambia de dirección cada cierto millones de años, y el campo magnético del Sol cada 11 años. Sucede con el Sol que una mancha solar es la que inicia este proceso, ya que las líneas magnéticas de fuerzas van de una mancha solar a otra, y originan llamaradas solares.

Un campo magnético no aplica fuerza a una carga en reposo, pero cuando la carga esta en movimiento existe una fuerza llamada Fuerza de Lorentz , la cual se puede decir entonces que es la fuerza que experimenta una carga a su paso por un campo electromagnético. Esta Fuerza es perpendicular al campo y a la dirección de movimiento de la carga. Como esta fuerza magnética siempre es perpendicular a la velocidad, la fuerza no la hace aumentar ni disminuir, y las cargas siguen trayectorias circulares o en forma de hélice.

Si se tiene un gas de partículas cargadas en un campo magnético, estas pueden moverse con mucha facilidad a lo largo de las líneas de fuerza, pero cuando tratan de moverse transversalmente a las mismas, giran en espiral. Esa espiral es producida por la Fuerza de Lorentz.

En el Universo, además del planeta Tierra existen otros planetas que cuentan con un campo magnético; en el caso de la Tierra, este campo nos protege de las partículas cargadas, y las mantiene lejos; pero en el caso de las regiones

polares de nuestro planeta, estas partículas se acercan lo suficiente como para emitir luz y ocasionar un fenómeno de la naturaleza llamada aurora boreal.

Hans Oersted en 1820 descubrió que las corrientes eléctricas producen fuerzas magnéticas, y esas fuerzas hacen que los imanes apunten perpendicular a la dirección de la corriente. Por ejemplo, la corriente que circula por un alambre produce un campo magnético alrededor, formando circunferencias perpendiculares a éste. Si el alambre se curva formando un lazo la corriente que circula por él, produce un dipolo. La dirección del campo está relacionada con la dirección de la corriente por la regla de la mano derecha.

Una bobina en forma de hélice crea un campo parecido a un imán en forma de barra, pero si este alambre en forma de hélice o solenoide, forma un toroide o una rosquilla, entonces el campo magnético esta completamente en su interior, y el campo magnético fuera de éste es cero. Más adelante se complementará la idea con un experimento.

Ampere, también hizo estudios de electromagnetismo, y llegó a la conclusión de que una corriente circulando produce un campo magnético, y a su vez un campo magnético ejerce una fuerza sobre una carga en movimiento. Creó la teoría de que el magnetismo es electricidad en movimiento.

Ampere describe las fuerzas que dos conductores paralelos atravesados por corriente eléctrica ejercen uno sobre otro. Si el sentido de la corriente es el mismo en los dos conductores, estos se atraen; si la corriente se desplaza en sentidos opuestos, los conductores se repelen. Describe igualmente la relación que existe entre la fuerza de corriente y la del campo magnético.

Cada átomo de un material magnético tiene una carga eléctrica circulando en su mismo eje que crean el campo magnético que atrae la aguja de la brújula y hace que apunte hacia el norte; lo mismo que hace que dos alambres o hilos conductores se atraigan.

La gran contribución de Maxwell fue reunir en ecuaciones largos años de resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético.[

En 1820, Hans Ørsted estudió los fenómenos electromagnéticos, y descubrió y demostró que una aguja imantada se desviaba al ser colocada en

dirección perpendicular a un conductor eléctrico, por el que circula una corriente eléctrica, demostrando así la existencia de un campo magnético en torno a todo conductor atravesado por una corriente eléctrica. Este descubrimiento contribuyó al desarrollo de la electricidad, y puso en evidencia la relación existente entre la electricidad y el magnetismo.

Así, un experimento parecido que cumple con esta demostración, es la de hacer circular una corriente eléctrica a través de una espira de alambre conectada a un galvanómetro, y cuya respuesta será un punto de luz en una pantalla, que se moverá hacia delante y atrás al mover una barra imantada a través de un imán, para hacer que circule la corriente.

Faraday a partir de los trabajos de Hans Ørsted, inventó un experimento que se mantenía dando vueltas asegurando el campo magnetico circular creado por una corriente, con este dispositivo, dicha corriente podía generar trabajo físico. De esta manera contribuyó al primer motor eléctrico.

Faraday realizó otro experimento conectando una batería a una bobina, lo que generaba una corriente de corta duración en otra bobina y de esta manera descubrió la inducción electromagnética.

Un experimento como el que realizó Faraday en su tiempo es el de una barra imantada perpendicular en cada punto a una espira circular de alambre que se aproxima para producir una corriente a lo largo de ésta. La corriente circula en un sentido si la espira se mueve hacia arriba por ejemplo, y en otro si se mueve hacia abajo; pero también circularía corriente si la espira se deja quieta y el imán se mueve. Faraday descubrió que cualquier método que modifique el campo magnético a través de un circuito produciría una corriente.

Tomas Edison y Nikola Tesla, a diferencia de Faraday, querían crear máquinas que fueran rentables; y para esto se basaron en la inducción electromagnética de Faraday. Edison, utilizando contactos deslizantes unidos a bobinas de rotación fue capaz de compensar la diferencia de potencial oscilante obteniendo una corriente en la misma dirección desde sus generadores.

Siempre que varía el flujo magnético en una espira, circula corriente a lo largo de ella; circula en un sentido cuando disminuye y en otro cuando aumenta.

Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la fuerza electromotriz inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

Pasando corriente a través de un alambre en forma de hélice o solenoide de espiras separadas, se crea un campo magnético; si además coloco una espira alrededor de este solenoide, y la conecto a un galvanómetro, el flujo a través de la espira aumentaría aunque no haya campo magnético en la posición del alambre, y el galvanómetro debería saltar, según Faraday. Pero realmente se comprueba que hay un campo magnético en el alambre porque el flujo a través del solenoide tiene que regresar, y va de un extremo al otro, por lo que si existe algo de carga magnética fuera de éste, y ese problema se soluciona formando una rosquilla o toroide con el solenoide. De esta manera las líneas de campo magnético no salen nunca del exterior, y el flujo es realmente cero. Si tomo una espira alrededor, el galvanómetro ahora debería saltar, y de esta manera se cumple lo anteriormente mencionado, que un flujo magnético en una superficie cerrada es siempre cero.

Un péndulo con una pieza de cobre en su extremo, se hace pasar por los polos de un electroimán al oscilar. Se induce corriente al metal de cobre y se produce calor y pérdida de energía que proviene de la oscilación. Cuando desconecto el electroimán, el péndulo debería disminuir su ritmo hasta detenerse por completo; y de esta manera se ratifica que por inducción electromagnética se puede detener o poner en movimiento un metal.

El campo magnético en un cable se intensifica cuando éste tiene forma de espiral, y cuando su centro es de hierro se intensifica aún más al concentrarse el magnetismo, lo que produce un electroimán. Por ejemplo, al girar la llave en un auto, se envía corriente por una espiral en un circuito, su campo atraviesa el de un imán, éste se pone en movimiento, y el auto puede arrancar. Otro ejemplo, es en algunos trenes que se elevan e impulsan por electroimanes.

Los motores, generadores y transformadores dependen de fuerzas electromagnéticas.

Los motores eléctricos utilizan espirales que llevan corriente, e imanes. El imán tiene forma de ‘’u’’, cuando la corriente pasa por el espiral se convierte en electroimán. Si los polos norte y sur están junto a los polos del imán una fuerza los separa volviendo la espiral hacia los polos opuestos del imán, si se invierte la dirección de la corriente se invierten los polos y se genera rotación. Esta corriente es llamada corriente alterna, y es la que se suministra también a las casas. Los motores también funcionan con corriente continua.

Los generadores producen corriente alterna. Si se montan dos argollas en el eje sobre la espiral con dos escobillas de carbón que se conectan a un circuito externo, cuando se hace girar en el campo magnético una mitad gira hacia arriba y otra mitad gira hacia abajo con dirección única; esto invierte la dirección de la corriente y así surge la corriente alterna. También pueden producir corriente

continua sustituyendo las argollas por un conmutador como en los motores, y la corriente iría en la misma dirección.

Cuando la corriente sale del generador pasa por un transformador (que aumenta o disminuye la fuerza que mueve la corriente y el voltaje), incrementa el voltaje para transmitir la potencia a grandes distancias; y disminuye para uso doméstico o comercial. Esto ocurre con dos cables en espiral cada uno conectado a un circuito diferente. El transformador puede pasar corriente alterna de un circuito a otro.

Con los experimentos que se relatan a continuación se logra tener una idea más clara de lo anteriormente expuesto.

En este primer experimento observamos una barra imantada, rodeada de limaduras de hierro esparcidas. Se sabe que un imán está conformado por un dipolo magnético, es decir, un polo norte y un polo sur. Estos dos polos son opuestos y se repelen, y forman unas líneas de campo que salen de un extremo y entran en otro.

En otro experimento se observan dos imanes separados por una determinada distancia y con los polos diferentes enfrentados. En la zona entre los dos imanes podemos ver que las limaduras forman unas líneas que conectan los dos imanes.

En el siguiente experimento se observan dos imanes separados con los polos iguales enfrentados. En la zona entre ambos podemos ver que las líneas de campo magnético que se forman se alejan de ambos imanes, y no los conectan.

Si se coloca limadura de hierro en las cercanías de un alambre recto, con un alambre perpendicular a su superficie, se forman circunferencias concéntricas alrededor del mismo, las cuales constituyen las líneas de campo magnético que se producen cuando por éste pasa una corriente eléctrica.

Si esta vez se coloca un alambre en forma de curva perpendicular a un alambre recto, se forman circunferencias concéntricas correspondientes al campo magnético, en esos dos puntos.

Otro imán, esta vez en forma de ‘’U’’ cuenta con dos polos separados y opuestos y las líneas de fuerza se observan saliendo del polo norte y entrando por el polo sur.

Si a un alambre en forma de espiral o solenoide con espiras separadas se le esparce limaduras de hierro, se pueden observar líneas de campo magnético en su interior. Las que se observan en su exterior siguen una trayectoria curva de un extremo al otro.

A un solenoide de espiras juntas se le puede observar sus líneas de campo en la parte interna y externa del mismo, visualizadas por medio de las limaduras de hierro.

En un solenoide al que se le unen sus extremos formando una rosquilla, se puede observar las líneas de campo concentradas en su interior; en este caso el campo magnético en su exterior es nulo.

El experimento consta de un sistema formado por dos alambres horizontales paralelos y un alambre que puede desplazarse sobre ellos. Al acercar al alambre móvil un imán en forma de herradura, se puede observar como el alambre móvil se desplaza sobre los alambres fijos; si se cambia la polaridad con la que se hace acercar el imán, el alambre se pue

de atraer o repeler.

Se dispone de un conjunto de espiras por las cuales puede circular corriente y las cuales se encuentran ubicadas en un campo magnético producido por dos imanes colocados a los lados. Al cambiar el sentido de circulación de la corriente adecuadamente durante la rotación de las espiras, se logra que éste conjunto realice un movimiento de hasta 90 grados de rotación.

El experimento consiste en un dispositivo formado por dos alambres paralelos, a través de los cuales se puede hacer pasar corriente. Uno de ellos es colgante y puede oscilar libremente. Si la corriente por ellos circula en el mismo sentido los alambres se atraen, en caso contrario se repelen. Esto permite ratificar la idea de Ampere sobre las fuerzas que dos conductores paralelos atravesados por corriente eléctrica ejercen uno sobre otro.

Se tiene un resorte por el cual se hace circular corriente. Se puede observar que el resorte se comprime por la acción de la fuerza de atracción entre sus vueltas.

El sistema del experimento comprende una bobina conectada a un galvanómetro, y un imán; consiste en introducir uno de los polos del imán en la parte interna de la bobina y desplazarlo a través de él para producir una corriente inducida, y el movimiento de la aguja en un sentido en el galvanómetro. Si al imán por el contrario se cambia la polaridad con la que se hará desplazar a través de la bobina, la aguja se mueve en sentido opuesto al primer caso, es decir, cambia el sentido de la corriente en el galvanómetro. Si no se hace mover el imán, la aguja del galvanómetro debería apuntar al cero y hacia el norte. Este experimento se basa en la Ley de Faraday sobre la Inducción electromagnética. Y se cumple que “un campo magnético en movimiento produce una corriente eléctrica“.

En este experimento se tiene un conjunto de espiras rodeado de algunos imanes en forma de U, y un bombillo conectado al sistema. Al hacer rotar las espiras, a través de la manivela, el bombillo se enciende. En este experimento se puede observar la corriente inducida y la variación de la intensidad debida a la velocidad de giro de las espiras. Igualmente se basa en la Ley de Inducción electromagnética de Faraday; y lo presentado por Heinrich Lenz, ya que la corriente debida a la fuerza electromotriz inducida se opone al cambio de flujo magnético.