Campo magnetico. Electricidad y magnetismo

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Instituto Tecnológico de Querétaro

Luis Norberto Navarrete Luna

Introducción

Cuando somos niños, a la mayoría de nosotros nos causa gran asombro la mística que existe detrás de los imanes. Recuerdo en particular un momento de mi infancia en donde mostraban un corto truco que consistía en mover un auto de juguete hecho de metal sin tocarlo, a través de una mesa de lámina. Imagino que debió ser parecida la sensación de los hombres que vieron por primera vez este fenómeno alrededor del año 800 a.C. Fueron probablemente los griegos quienes primero reflexionaron sobre las maravillosas propiedades de la magnetita (Fe3O4) un mineral que incluso en estado natural posee una profunda atracción por el hierro. Platón (428-348 a.C.) en su dialogo Ión hace decir a Sócrates que la magnetita no solo atrae anillos de hierro sino que les imparte un poder similar para atraer otros anillos. A este fenómeno en la actualidad le llamamos magnetización por inducción. Diversas leyendas envuelven los orígenes del descubrimiento del magnetismo, una de ellas adjudica el nombre de magnetita al pastor Magnes, que atraía trozos de magnetita con los clavos de sus zapatos. Otra versión indica que el nombre se debe a Magnesia, región de Grecia donde abunda el mineral.

 El primer uso de esta piedra magnética fue con la invención de la brújula, que se atribuye a los árabes.  No fue hasta el año de 1269 cuando un francés de nombre Pierre de Maricourt descubrió que las direcciones a las que apuntaba una aguja al acercársele un imán esférico natural formaban líneas que rodeaban a la esfera y pasaban a través de esta en dos puntos opuestos uno del otro a los que llamo polos del imán. Actualmente sabemos que todos los imanes, cualquiera que sea su forma cuentan con dos polos, uno norte y otro sur, esto en referencia a los polos de la Tierra, la cual es considerada como un imán permanente gigantesco. Si estos son opuestos se atraen e iguales se repelen. Como supuestamente funciona la atracción física entre seres humanos.

Antes del siglo XVIII se estudiaba al magnetismo de forma independiente. La relación entre magnetismo y electricidad fue descubierta en 1819 por el científico danés Hans Oersterd. Posteriormente Faraday y Joseph Henry mostraron que es posible crear una corriente eléctrica en un circuito moviendo un imán cerca de él. Maxwell demostró que puede crearse inversamente, ya que la naturaleza de las ondas electromagnéticas consiste en la propiedad que tiene el campo eléctrico y magnético de generarse mutuamente cuando cambian en el tiempo.

Partícula en un campo magnético

Podemos empezar por recordar que cualquier carga eléctrica está rodeada por un campo eléctrico y además de contener un campo eléctrico, el espacio que rodea a cualquier carga en movimiento, también contiene un campo magnético. Dicho esto podemos continuar con la nomenclatura para los campos magnéticos, que históricamente se han representado con la letra B y es la que utilizare a lo largo de este capítulo. Igualmente para los campos magnéticos como en los campos eléctricos, se pueden representar gráficamente usando líneas de campo magnético con la ayuda de la aguja de una brújula. Cuando cursaba la secundaria realizamos una práctica en el laboratorio que consistía en esparcir limadura de hierro sobre una hoja blanca y acercar imanes para observar precisamente las líneas de campo. Son prácticamente iguales a las imágenes mostradas a continuación;

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En base a los experimentos efectuados sobre varias partículas cargadas, un campo magnético  teóricamente se puede definir en función de la fuerza magnética FB que ejerce el campo sobre una partícula cargada que se mueve con una velocidad  v. También arrojan los siguientes resultados, tomados del libro Electricidad y magnetismo (Raymond A. Serway,  Jonh Jewett);

• La magnitud FB ejercida sobre la partícula es proporcional a la carga q  y la velocidad v de dicha partícula.
• La magnitud y dirección de FB  dependen de v  y de la magnitud y dirección de B.
• Cuando la partícula es paralela al vector de B, FB es igual a cero.
• Sí el vector v forma un ángulo θ ≠ 0 con B, FB es perpendicular a v y B.
• FB  es proporcional al senoθ.

Podemos resumir estas observaciones con la fórmula de FB;

FB = qv x B

Para esta fórmula podemos aplicar las dos reglas de la mano derecha para determinar la dirección de FB.

Encuentro interesante la aparición interdisciplinar de la física de cinemática de la partícula con los campos eléctricos y magnéticos.  A partir de estas observaciones y también con base en el teorema de trabajo-energía cinética, se puede concluir que, cuando una partícula cargada se mueve a una velocidad v a través de B, éste puede modificar la dirección del vector v pero no la velocidad ni la energía cinética de la partícula.

 Las unidades del campo magnético en el SI  son tesla (T) :

                      T=                ;  A=C/s[pic 9]

Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético uniforme

Ahora discerniendo del tema anterior en donde encontramos que FB actúa sobre la partícula cargada asociada a un campo magnético estable, no efectúa trabajo debido a que la fuerza es perpendicular al desplazamiento o en otras palabras el ángulo θ es igual a cero o 180°  recordando que;  FB = |q|vBsenθ  imaginemos el caso especial de una partícula positiva que se mueve en un campo magnético uniforme, estando el vector v inicial de la partícula en posición perpendicular al campo.

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