Magnetismo
Imanes
Los imanes son sustancias que atraen al hierro. Pueden ser naturales o artificiales. Poseen dos polos: norte y sur, con comportamientos diferentes. Una línea imaginaria, llamada línea neutra, separa ambos polos. Al cortar un imán por esta línea, no se separan los polos. Polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen. El comportamiento magnético se explica por el giro de los electrones en sus órbitas, creando corrientes eléctricas. En un imán natural, estas corrientes están orientadas; en uno artificial, están desorientadas, pero pueden orientarse mediante diversos procedimientos, imanándolo.
El Campo Magnético
La interacción magnética se debe a un imán o a una carga en movimiento. Una corriente eléctrica o un imán en el espacio vacío crea una zona de influencia magnética: el campo magnético. Este se manifiesta al colocar otro imán o corriente eléctrica. Se representa con B (inducción magnética). Las líneas de campo son tangentes al vector intensidad de campo en cada punto. Salen del polo norte al sur. Su módulo se relaciona con el número de líneas de campo que atraviesan la superficie. En un campo magnético, las líneas son cerradas, con sentido norte-sur. En una corriente eléctrica, son circunferencias concéntricas con centro en la trayectoria de la carga. Su sentido se determina con la regla del tornillo.
Fuerzas Magnéticas sobre una Carga en Movimiento (Fuerza de Lorentz)
Ocurre cuando una carga entra con velocidad en una región con campo magnético.
Consecuencias:
- A. Si v = 0, no hay fuerza de Lorentz.
- B. Si la carga se mueve con velocidad, la fuerza es perpendicular a ésta.
- C. La fuerza es nula si la dirección del campo y la velocidad coinciden, y máxima si son perpendiculares.
- D. La fuerza de Lorentz no realiza trabajo (perpendicular a la velocidad y trayectoria).
- E. Al ser perpendicular a v, solo cambia la trayectoria.
- F. Es una fuerza centrípeta.
Aplicaciones de la Fuerza de Lorentz
- Espectrómetro de masas: separa partículas según su relación carga-masa.
- Separación de isótopos.
- Experiencia de Thomson: determinó la relación carga-masa del electrón.
- Ciclotrón: acelera partículas para bombardear núcleos atómicos y provocar reacciones nucleares.
Sustancias Magnéticas
- Diamagnéticas: Permeabilidad menor o igual a 1.
- Paramagnéticas: Permeabilidad mayor o igual a 1.
- Ferromagnéticas: Permeabilidad mucho mayor que 1.
Ley de Ampère
La circulación del campo magnético a través de una línea cerrada es igual a la permeabilidad magnética del medio por la intensidad que atraviesa dicha línea. Si dos hilos conductores tienen el mismo sentido de corriente, las fuerzas son atractivas; si tienen sentidos opuestos, son repulsivas.
Amperio (A)
Intensidad de corriente eléctrica que circula por dos conductores rectilíneos y paralelos, separados por un metro, cuando la fuerza entre ellos es 2 x 10⁻⁷ N/m.
Flujo Magnético
Número de líneas de inducción que atraviesan una superficie. Se define como el producto escalar del campo magnético por la superficie. Su unidad es el weber (Wb). Es máximo cuando el ángulo con la superficie es 0° y nulo a 90°.
Propiedades del Campo Magnético
- Las líneas de fuerza son cerradas, por lo que el flujo a través de una superficie cerrada es nulo. El flujo del campo electrostático nunca es nulo, ya que sus líneas no son cerradas.
- El campo magnético no es conservativo (su circulación a través de una línea cerrada no es nula). El campo eléctrico es conservativo.
Comparación entre Campo Magnético y Electrostático
Analogías:
- Ambos son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia.
Diferencias:
- El campo eléctrico es conservativo; el magnético, no.
- El flujo del campo magnético a través de una superficie cerrada es nulo; el del eléctrico, no.
- Las cargas eléctricas existen aisladas; los polos magnéticos, no.
- Una carga en un campo eléctrico experimenta una fuerza en la dirección del campo; en un campo magnético, la fuerza es perpendicular al campo.
- Una partícula con velocidad paralela al campo eléctrico tiene movimiento rectilíneo acelerado; en un campo magnético, también.
- Una partícula con velocidad perpendicular al campo eléctrico tiene movimiento parabólico; en un campo magnético, circular uniforme.
Inducción Electromagnética
Experiencia de Henry
Comprobó que al mover un conductor perpendicularmente a un campo magnético, aparece una diferencia de potencial entre sus extremos, generando una corriente eléctrica. La fuerza electromotriz es la energía que el generador comunica a la unidad de carga.
Causas de Variación del Flujo Magnético
- Modificar B: Acercar/alejar la fuente de campo magnético al conductor, o usar un campo variable en el tiempo.
- Modificar S: Variar la forma o tamaño del circuito.
- Modificar el ángulo: Girar el conductor en el campo magnético.
Autoinducción
Inducción de una corriente sobre sí misma. Requiere que la intensidad de corriente en el circuito varíe con el tiempo. Al cerrar un circuito con una bobina, la corriente crea un campo magnético variable en la bobina. Este campo genera una corriente autoinducida que se opone a la corriente del generador, retrasando el alcance de la intensidad de régimen.
Leyes de Faraday y Lenz
Al acercar o alejar un imán a un circuito con un galvanómetro, se observa una corriente inducida. Esta corriente aparece solo cuando varía el flujo magnético en el tiempo.
Ley de Faraday: Siempre que el flujo magnético a través de un circuito varíe con el tiempo, aparecen corrientes inducidas.
Ley de Lenz: La corriente inducida tiene un sentido que se opone a la variación de flujo que la originó. Es una forma de enunciar el principio de conservación de la energía.
Transformadores
Sistemas para aumentar o disminuir la diferencia de potencial (y la intensidad) de una corriente alterna. Constan de dos bobinas (primaria y secundaria) enrolladas en un núcleo ferromagnético. Funcionan por inducción mutua. La corriente alterna en la primaria crea un flujo magnético variable que induce una corriente en la secundaria.
Aplicaciones: Fundamentales en el transporte de energía eléctrica a alta tensión para minimizar pérdidas por efecto Joule.