Flujo Magnético
El flujo magnético es una medida de la cantidad de magnetismo. Se calcula a partir del campo magnético (región del espacio donde una carga eléctrica puntual en movimiento experimenta una fuerza perpendicular a su velocidad y al campo magnético), la superficie sobre la que actúa y el ángulo de incidencia entre las líneas de campo magnético y los elementos de la superficie.
La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber (Wb). Los aparatos empleados para medir el flujo magnético se denominan weberímetros. En el sistema cegesimal (CGS), se utiliza el maxwell (Mx), en honor al físico escocés James Clerk Maxwell.
Un weber equivale al flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira, produce una fuerza electromotriz de un voltio si el flujo se anula en un segundo debido a un decrecimiento uniforme. El nombre weber se introdujo en honor al físico alemán Wilhelm Eduard Weber.
El flujo magnético se representa gráficamente con la letra griega fi (Φ).
Inducción Electromagnética
La inducción electromagnética es el fenómeno que produce una fuerza electromotriz (FEM) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o en un medio en movimiento respecto a un campo magnético estático. Cuando el cuerpo es un conductor, se genera una corriente inducida.
Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).
Heinrich Lenz comprobó que la corriente inducida se opone al cambio de flujo magnético, tendiendo a mantener el flujo constante. Esto se cumple tanto si la intensidad del flujo varía como si el conductor se mueve respecto al campo.
Ley de Faraday-Henry y Lenz
Establece que:
- Toda variación de flujo que atraviesa un circuito cerrado produce una corriente inducida.
- La corriente inducida es instantánea y dura mientras varía el flujo.
- La FEM inducida en un circuito (e) es igual a la variación del flujo magnético (Φ) que lo atraviesa por unidad de tiempo.
- El sentido de la corriente inducida se opone a la variación del flujo que la produce.
Estas afirmaciones se expresan en la ecuación de Faraday-Lenz:
(Si el flujo se expresa en Weber y el tiempo en segundos, la FEM se da en voltios)
Una aplicación importante de la inducción electromagnética es la generación industrial de energía eléctrica. Permite transformar energía mecánica en eléctrica. Los generadores de corriente emplean bobinas que giran en un campo magnético. Al girar, el flujo a través de las bobinas cambia, generando una corriente eléctrica.
Acción del Campo Magnético sobre una Carga en Movimiento: Ley de Lorentz
Para apreciar el efecto de un campo magnético en un punto, medimos la fuerza que ejerce sobre una carga en movimiento en ese punto.
Si en una región del espacio existe un campo magnético uniforme B y una carga positiva se desplaza en un punto del mismo, la fuerza magnética se calcula mediante un producto vectorial y se expresa por la ley de Lorentz:
F = q ⋅ v ⋅ B
Donde:
- F es la fuerza magnética
- q es la carga
- v es la velocidad de la carga
- B es el campo magnético
La fuerza es perpendicular a la velocidad y al campo magnético. Al ser perpendicular a la velocidad, no realiza trabajo sobre la carga, por lo que no hay cambio en la energía cinética ni en el módulo de la velocidad. La fuerza solo cambia la dirección de la velocidad, originando un movimiento de rotación de la partícula en el campo magnético.
Campo Gravitatorio
En la física moderna, el campo gravitatorio se interpreta como una alteración del espacio alrededor de los cuerpos. Esta alteración se mide mediante la intensidad de campo, definida como la fuerza que experimenta la unidad de masa en un punto del campo. La intensidad de la gravedad cerca de la superficie terrestre es de aproximadamente 9,8 N/kg y se dirige hacia el centro de la Tierra.
Intensidad de Campo Gravitatorio
La intensidad de campo gravitatorio o gravedad es la fuerza gravitatoria específica que actúa sobre un cuerpo en el campo gravitatorio de otro. Se representa como g y se expresa en newtons/kilogramo (N/kg).
También se puede interpretar como la aceleración que sufriría un cuerpo en caída libre sobre otro.
Potencial Gravitatorio
El potencial gravitatorio en un punto del campo gravitatorio es una magnitud escalar definida como el trabajo por unidad de masa que una fuerza debe realizar para transportar un cuerpo a velocidad constante desde el infinito hasta ese punto. Su unidad en el SI es el julio sobre kilogramo (J/kg).
Características de las Fuerzas de Atracción Gravitatoria
- Siempre que hay interacción gravitatoria entre dos cuerpos, existen dos fuerzas, una en cada cuerpo.
- Estas fuerzas son siempre de atracción.
- Tienen igual módulo.
- Tienen la misma dirección, que es la de la recta que une los centros de los cuerpos.
- Sus sentidos son contrarios.
Estas fuerzas forman un par de acción-reacción.
El cálculo de su módulo depende de la masa de los cuerpos y la distancia entre ellos.
Energía Potencial Gravitatoria
La energía potencial gravitatoria de una masa m en un punto del espacio es el trabajo que realiza el campo gravitatorio para trasladarla desde ese punto hasta el infinito. Según la definición, la energía potencial es siempre negativa y su máximo es cero.
La energía potencial es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo, dependiendo de su configuración en un sistema de cuerpos que interactúan entre sí. Puede considerarse como la energía almacenada en un sistema o como una medida del trabajo que puede entregar.
Ley de Gravitación Universal
La ley de gravitación universal describe la interacción gravitatoria entre cuerpos con masa. Newton estableció una relación cuantitativa de la fuerza de atracción entre dos objetos con masa. Dedujo que la fuerza depende del valor de sus masas y del cuadrado de la distancia que los separa.
Para grandes distancias, la fuerza actúa como si la masa de cada cuerpo estuviera concentrada en su centro de gravedad, simplificando la complejidad de las interacciones.
La ley de gravitación universal predice que la fuerza ejercida entre dos cuerpos de masas m1 y m2 separados una distancia r es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:
Donde:
- F es el módulo de la fuerza
- G es la constante de gravitación universal
Cuanto más masivos sean los cuerpos y más cercanos estén, mayor será la fuerza de atracción.
Newton no pudo establecer el valor de G, solo dedujo que debía ser muy pequeño. Mucho después se desarrollaron técnicas para calcularlo, y aún hoy es una de las constantes universales conocidas con menor precisión.
Esta ley se asemeja a la ley de Coulomb para las fuerzas electrostáticas, ya que ambas siguen una ley de la inversa del cuadrado y son proporcionales al producto de magnitudes propias de los cuerpos.
Aunque se conocen los límites de la ley de gravitación universal, donde es necesario recurrir a la Relatividad General de Einstein, sigue siendo ampliamente utilizada para describir con precisión los movimientos de los cuerpos del Sistema Solar. En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se prefiere por su simplicidad frente a la Relatividad General, ya que esta no predice variaciones detectables en estas situaciones.