Campo Magnético: Principio de Superposición y Conductores Rectilíneos
Consideremos dos conductores rectilíneos con corrientes eléctricas. El módulo del campo magnético generado por cada uno es el mismo en un punto equidistante, ya que tanto las intensidades como las distancias son iguales. Si los campos tienen la misma dirección pero sentidos opuestos, el campo total en el punto medio es nulo (principio de superposición). Si invertimos el sentido de una de las corrientes, el campo resultante tendrá sentido opuesto. Si, además, duplicamos la intensidad de una corriente, el módulo del campo total será el triple del campo producido por la otra corriente.
Características del Campo Magnético Generado por un Conductor Rectilíneo
Un conductor rectilíneo con corriente I genera un campo magnético B con las siguientes características:
- Módulo: Se calcula mediante la ley de Ampère o la ley de Biot-Savart.
- Dirección: Perpendicular a la corriente y al vector de posición (distancia desde el conductor al punto).
- Sentido: Determinado por la regla de la mano derecha (o del sacacorchos).
(Ejercicio basado en Junio 2013 A1 – Selectividad)
Inducción Electromagnética: Experimentos de Faraday y Henry
La inducción electromagnética es la generación de corriente eléctrica en un circuito debido a un campo magnético variable.
Experimento de Faraday
Faraday observó que al acercar o alejar un imán a una espira conductora, se induce una corriente en la espira. El sentido de la corriente depende del movimiento relativo y del polo del imán que se enfrenta a la espira. No hay corriente si ambos (imán y espira) están en reposo.
Experimento de Henry
Henry observó que al mover un conductor dentro de un campo magnético, se genera una corriente en él.
Leyes de Faraday y Lenz
Faraday y Lenz explicaron este fenómeno:
- La corriente inducida se origina por la variación del flujo magnético que atraviesa la espira (Ley de Faraday).
- El sentido de la corriente inducida genera un campo magnético que se opone a la variación del flujo magnético original (Ley de Lenz).
(Ejercicio basado en Junio 2014 B.1 – Selectividad)
Análisis Detallado: Corriente Inducida en Espiras (Junio 2014 B.1)
Consideremos dos espiras, «a» y «b»:
i) Corriente Creciente en la Espira «a»
Cuando la corriente en la espira «a» aumenta, el campo magnético Ba que produce también aumenta. Esto causa un aumento del flujo magnético a través de la espira «b», generando una corriente inducida. El sentido de esta corriente inducida crea un campo magnético BIND que se opone al aumento del flujo (Ley de Lenz). La regla de la mano derecha nos permite determinar el sentido de la corriente inducida en «b».
ii) Corriente Constante en la Espira «a»
Cuando la corriente en «a» se vuelve constante, el campo magnético y el flujo magnético a través de «b» también se estabilizan. Por la ley de Faraday-Lenz, no hay corriente inducida en la espira «b» cuando el flujo magnético es constante.
Fuerza de Lorentz y Movimiento de Partículas Cargadas
La fuerza magnética sobre una partícula cargada en movimiento dentro de un campo magnético se describe mediante la ley de Lorentz:
F = q (v x B)
Donde:
- F: Fuerza magnética
- q: Carga de la partícula
- v: Velocidad de la partícula
- B: Campo magnético
- x: Producto vectorial
En módulo: F = q * v * B * sen(α), donde α es el ángulo entre v y B.
Dirección y Sentido de la Fuerza
- Dirección: Perpendicular a v y a B.
- Sentido: Regla de la mano derecha (invirtiéndose si q es negativa).
Movimiento Circular Uniforme
Si la velocidad es perpendicular al campo (α = 90°), la fuerza magnética actúa como fuerza centrípeta, causando un movimiento circular uniforme. El radio de la trayectoria se calcula aplicando la segunda ley de Newton:
F = m * a = m * (v^2 / r)
Donde a es la aceleración centrípeta.
Velocidad Angular y Periodo
La velocidad angular (ω) y el periodo (T) están relacionados con la velocidad lineal (v) y el radio (r):
v = ω * r
T = 2π / ω = 2πr / v
Una partícula con mayor masa tendrá una menor velocidad angular y un mayor periodo (girará más lentamente).