Title: Magnetismo
Course: Física - 1º B.D. > Section: Magnetismo

Si no hubiera magnetismo...

Magnetismo terrestre

El siguiente video te muestra la importancia para la vida del campo magnético de la Tierra.

Magnetismo terrestre

Primeros fenómenos magnéticos

Como observaste en los capítulos anteriores el magnetismo es muy importante para la vida, para la evolución de las tecnologías y para mejorar la calidad de vida de las personas. El magnetismo está presente en múltiples elementos de la vida cotidiana.

Los primeros fenómenos magnéticos fueron observados en la antigüedad por los griegos en la ciudad de Magnesia (Asia Menor). Hallaron en esa región unas rocas que podían atraer trozos de hierro. Hoy se sabe que esas rocas están formadas por magnetita, que es un óxido de hierro. Estos minerales son llamados imanes naturales.

Figura 1. Cristales de magnetita sobre una roca Skarn, procedente de Marcona, Ica, Perú.

También se pueden obtener imanes artificiales por diferentes métodos, uno de ellos es colocando un trozo de hierro cerca de un imán natural.

Los fenómenos magnéticos están relacionados con los fenómenos eléctricos, pero su estudio sistemático recién comenzó en el siglo XIX.

Naturaleza del campo magnético

El magnetismo y la electricidad tienen una relación muy cercana. Así como una carga eléctrica genera  un campo eléctrico a su alrededor, también genera un campo magnético si se encuentra en movimiento. Recuerda el efecto magnético o efecto Oersted de la corriente eléctrica que viste en el módulo Magnitudes eléctricas y circuitos.

El campo magnético es una magnitud vectorial. Cada punto del espacio que rodea cargas en movimiento se le asigna un vector campo magnético, cuya notación es:

Campos magnéticos creados por imanes

En un imán, ¿dónde están las cargas eléctricas en movimiento?

Figura 2. Dibujo de un imán en herradura.

El imán está formado por átomos cuyos electrones se mueven constantemente alrededor de sus núcleos atómicos, ese movimiento de los electrones produce un campo magnético. Los electrones giran también sobre sí mismos, esto crea a su vez otro campo magnético.

El campo magnético creado por la rotación del electrón sobre sí mismo, es mayor que el que se produce por el movimiento alrededor del núcleo, en la mayoría de los materiales.

El electrón en rotación es un diminuto imán. Si dos electrones giran en el mismo sentido generan un campo magnético más grande. Si giran en sentidos opuestos los campos magnéticos que generan se anulan, es por esto que la mayoría de los materiales no son imanes.

En algunos materiales, como el hierro, el níquel y el cobalto los  campos magnéticos no se anulan de forma total. Cada átomo de hierro es un pequeñísimo imán, porque posee cuatro electrones que rotan de forma que los campos magnéticos que generan no se anulan.

Los imanes se fabrican de aleaciones que contienen hierro, níquel, cobalto y aluminio en distintas proporciones. También se puede usar neodimio y gadolinio que generan campos magnéticos más intensos.

Dominios magnéticos

En un trozo de hierro se pueden reconocer, microscópicamente, muchas zonas compuestas por miles de millones de átomos cuya alineación magnética es la misma. Las contribuciones de los campos magnéticos creados por esos miles de millones de electrones que rotan en el mismo sentido, crean los llamados dominios magnéticos.

Figura 2. Representación de dominios magnéticos en un trozo de hierro sin magnetizar.

Si en un trozo de material los dominios magnéticos se encuentran alineados el material será un imán.

Figura 3. Representación de la magnetización de en un trozo de hierro.

La magnetización de un material se logra si se lo coloca bajo la influencia de un campo magnético creado por otro cuerpo.

Campo magnético, los imanes y sus polos magnéticos

Visualiza el video de Antel Ciencias que explica sobre los campos magnéticos que crean los imanes y sobre el campo magnético de la Tierra.

Campo Magnético

Características de los imanes:

- Los imanes atraen objetos constituidos por materiales como el hierro, el cobalto, el níquel y aleaciones que contengan estos materiales.
- Los imanes poseen zonas denominadas polos magnéticos que se denominan como los polos geográficos de la Tierra: Norte y Sur al igual que los extremos de la aguja magnetizada de una brújula. En los polos la atracción magnética que ejerce sobre otros cuerpos es mayor, es decir, son zonas donde el campo magnético es más intenso.
- Los polos magnéticos de un imán son inseparables, si un imán se rompe, cada uno de los trozos resultantes será un nuevo imán con dos polos.

Figura 3. Los polos magnéticos son inseparables.
- Los polos de igual nombre se repelen y los de distinto nombre se atraen.

Figura 4. Interacción entre imanes

- Los imanes pueden perder sus propiedades magnéticas si es golpeado o si se lo calienta.

La Figura 5 muestra una brújula en el extremo Sur magnético de un imán, observa que ella se orientará con su polo Norte orientado hacia el polo opuesto. Esto es debido a que los polos opuestos se atraen.

Figura 5. Orientación de una brújula frente al polo sur de un imán recto.

La brújula y su orientación en el Campo Magnético de la Tierra

La brújula es un instrumento formado por un disco graduado (en el que generalmente se indican los puntos cardinales) y una aguja magnetizada con uno de sus extremos diferenciado. La aguja de la brújula se orienta según el campo magnético que se encuentra en su entorno.

Figura 6. Brújula

Si en el lugar en que se coloca la brújula sólo se encuentra el campo magnético de la Tierra, la brújula se orienta en la dirección Norte-Sur geográfico. El extremo de la aguja que queda apuntando hacia el Norte Geográfico se le llama Norte Magnético y al otro extremo se le llama Sur Magnético.

Figura 7. Tierra con sus polos geográficos indicados, se ha ubicado una brújula orientada según el campo magnético terrestre.

Se puede imaginar a la Tierra como si fuera un gran imán, en donde el polo Sur Magnético de la Tierra se encuentra a unos  10 º de su polo Norte Geográfico y el polo Norte Magnético se encuentra a unos 10º de su polo Sur Geográfico.

Figura 8. Representación de una brújula.

Campo magnético de un imán y líneas de campo magnético

El campo magnético de un imán se puede visualizar mediante el uso de limaduras de hierro. Las limaduras de hierro se ordenan en el entorno de un imán y dan una idea de "forma" del campo magnético a su alrededor.

Observa el siguiente video en el que se realizan experimentos que muestran cómo se ordenan las limaduras de hierro alrededor de imanes:

Líneas de campo magnético

Figura 9. Espectro del campo magnético de un imán recto.

Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético se puede representar mediante líneas de campo magnético o líneas de fuerza.

Ingresa en el siguiente simulador (haz clic sobre la imagen), sigue las instrucciones y podrás representar las líneas de campo magnético de un imán recto tal como se ven abajo:

Figura 10. Captura de pantalla del simulador de líneas de campo magnético, Fendt y Zamarro (2001).

Características de las líneas de campo magnético

- Son líneas cerradas.
- Son salientes de polo norte y entrantes en el polo sur por fuera del imán y por dentro del imán van de sur a norte.
- Las líneas de campo magnético no se cortan.
- El vector campo magnético en un punto tiene dirección tangente a la línea de campo en ese punto.
- El módulo del campo magnético es proporcional a la densidad de líneas de campo magnético.

Figura 11. Representación de un imán recto con algunas líneas de campo y vectores campo magnético en ciertos puntos a su alrededor.

Campos magnéticos creados por corrientes eléctricas

Los campos magnéticos creados por corrientes eléctricas son diversos, la distribución de las líneas de campo magnético va a depender de la forma del conductor por el que circula la corriente eléctrica.

En el video a continuación se muestra la distribución que adoptan limaduras de hierro en el entorno de un conductor recto muy largo.

Campo magnético creado por corriente eléctrica

En el video que sigue se muestra la orientación de varias brújulas ubicadas en un plano perpendicular a un conductor rectilíneo largo.

Experiencia de Oersted

Figura 12. Conductor recto conectado a una pila. Se indica el sentido de la corriente eléctrica y las líneas de campo magnético en un plano perpendicular al conductor.

En conclusión las líneas de campo magnético creado por una corriente rectilínea larga son circunferencias concéntricas al conductor.

Campo magnético creado por corriente eléctrica

Es decir, el campo magnético de un solenoide tiene una forma muy parecida al campo creado por un imán recto en el que los polos se encuentran en sus extremos.

Figura 13. Solenoide conectado a una pila. Se indica el sentido de la corriente eléctrica, sus líneas de campo magnético y los polos que genera la corriente elécrica.

Campo magnético de una corriente rectilínea

Las líneas de campo magnético o de fuerza que crea una corriente rectilínea son circunferencias concéntricas al conductor por el que circula dicha corriente. En el video del capítulo anterior pudiste ver cómo se ordenan las limaduras de hierro a su alrededor.

En el simulador que sigue podrás explorar el entorno del conductor recto por el que circula corriente usando una brújula. Muévela y observa la dirección que ella adopta con respecto a las líneas de campo magnético (las circunferencias concéntricas al conductor). También puedes cambiar el sentido de la corriente y ver que sucede con el sentido de la brújula.

Figura 14. Captura de pantalla del simulador.

Regla de la mano derecha - Conductor recto

La regla de la mano derecha para el conductor rectilíneo permite determinar de una manera sencilla el sentido de las líneas de campo magnético.

Figura 15. Representación de la regla de la mano derecha para un conductor rectilíneo.

La regla consiste en ubicar la mano derecha de forma que el pulgar quede apuntando en el sentido de la corriente eléctrica y el resto de los dedos rodeen el conductor de esta forma se puede determinar el sentido de las líneas de campo magnético.

Regla de la mano derecha - solenoide

Al igual que para el conductor recto, la regla de la mano derecha permite determinar el sentido de las líneas de campo magnético de un solenoide.

Figura 16. Regla de la mano derecha para el solenoide.

La regla de la mano derecha para un solenoide o para cualquier espira, consiste en ubicar la mano derecha de forma que la misma quede tomando el solenoide o una espira en el sentido de la corriente. Todos los dedos menos el pulgar quedan rodeando el solenoide. El dedo pulgar extendido quedará indicando el sentido de las líneas de campo magnético en el interior del solenoide o de la espira. Así, según muestra la figura, las líneas de campo magnético son salientes del lado izquierdo y entrantes en el derecho y por dentro del solenoide van de derecha a izquierda. Con esta última observación se puede visualizar que el extremo izquierdo del solenoide se comporta como un polo Norte magnético y el derecho como un polo Sur magnético y que el campo creado es muy similar al campo magnético de un imán recto.

Valor del Campo Magnético creado por corrientes eléctricas rectilíneas

El módulo del campo magnético creado por una corriente rectilínea muy larga depende de la intensidad de corriente que circula por el conductor y de la distancia a la cual medimos ese campo magnético.

El módulo del campo magnético creado por una corriente rectilínea es directamente proporcional a la intensidad de corriente :

Si se deja la distancia constante y se aumenta al doble la intensidad de corriente, el valor del campo magnético se duplica.

El módulo del campo magnético creado por una corriente rectilínea es inversamente proporcional a la distancia al conductor:

La ecuación matemática que expresa esta relación es:

siendo la K_B la constante magnética cuyo valor depende del medio en el cual se mide el campo magnético. En el vacío su valor es 2,0 x 10^-7 T.m/A.

Análisis de las unidades de la ecuación del módulo del campo magnético de una corriente rectilínea:

por lo tanto:

Valor del campo magnético en el interior de un solenoide

El módulo del campo magnético en el interior de un solenoide, depende de la intensidad de corriente que circula por el solenoide, del radio del solenoide y de la cantidad de vueltas que tenga.

El módulo del campo magnético en el interior de un solenoide es directamente proporcional al número de vueltas del solenoide por la intensidad de corriente:

e inversamente proporcional al largo del solenoide:

La ecuación matemática que expresa esta relación es:

Siendo μ_0 la permeabilidad magnética del espacio, la misma depende del material. Su valor en el vacío es:

El análisis de unidades es igual que para el campo magnético del conductor rectilíneo.

Electroimanes

Los electroimanes son cuerpos que crean campo magnético mediante una corriente eléctrica. Se construyen enrollando cable alrededor de un núcleo con las espiras muy próximas entre sí. Al aumentar el número de vueltas, aumenta el valor del campo magnético. El núcleo en general está formado por un material capaz de ordenar sus dominios magnéticos, por ejemplo el hierro. Esto hace que el campo magnético creado por la corriente eléctrica ordene esos dominios, generando así un campo magnético de mayor valor.

La ventaja del uso de electroimanes frente a imanes permanentes, es que se puede variar el campo magnético cambiando la intensidad de corriente que pasa por el enrollamiento o modificar el sentido de la corriente. De esta forma, además se puede regular la presencia o no de campo magnético.

El video a continuación te muestra cómo funciona un electroimán. El video está en inglés pero puedes activar los subtítulos automáticos y ponerlos en español.

How does an Electromagnet work

Los electroimanes tienen múltiples aplicaciones en dispositivos eléctricos que usamos cotidianamente como por ejemplo: motores, generadores, relés, parlantes, discos duros, porteros eléctricos, grúas para levantar chatarra, trenes de levitación magnética, etc.

Figura 17. Electroimán en una grúa que levanta chatarra.

Electroimán de un parlante,

Figura 18. Esquema de un parlante.

¿Cómo funciona un tren con levitación magnética?

El video está en inglés pero puedes activar los subtítulos automáticos y ponerlos en español.

How maglev train work

En resumen

Créditos

Bibliografía y sitios

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- Fendt, W. y Zamarro, J. M. (2000-2017). Campo magnético de una corriente rectilínea. Recuperada de: https://www.walter-fendt.de/html5/phes/magneticfieldbar_es.htm. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0.

Videos

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Fecha de publicación: 17 de marzo de 2020.

Autoría del Módulo: Silvia Pedreira.

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