Interacción entre campos Magnéticos

El origen del conocimiento de la interacción magnética o magnetismo se remonta a varios siglos antes de Cristo, cuando el hombre observó que existen ciertos minerales de hierro que tienen la propiedad de atraer pequeños trozos de hierro. Uno de estos minerales, la magnetita, es una roca negra de origen volcánico formada fundamentalmente por óxidos de hierro y cuyo nombre proviene de la ciudad de Magnesia, en Asia Menor, donde se encontraban los principales yacimientos. A pesar de que la magnetita es el único material donde se puede observar de forma natural el magnetismo, existen también otros cuerpos, que después de someterse a la acción de un campo magnético externo, lo que se conoce como proceso de imantación, son capaces de atraer trozos de hierro. Estos cuerpos se llaman imanes.

Se observa que el magnetismo se concentra en los extremos de un imán , que se designan polo norte y polo sur . Entre los polos de dos imanes se ejercen fuerzas a distancia. Estas fuerzas son atractivas cuando la interacción se produce entre polos de distinto nombre y son repulsivas si la interacción se produce entre polos de igual nombre. También es posible observar la existencia de la fuerza magnética cuando se colocan dos imanes , uno a continuación del otro, en un eje vertical. La fuerza entre los polos opuestos es tan grande que el segundo imán queda flotando en el aire, en reposo en el punto donde la fuerza de repulsión entre los dos imanes es igual al peso del imán superior. Si acercamos más los dos imanes , la fuerza de repulsión aumenta y se hace mayor que el peso, por lo que el imán asciende y se para en el punto de equilibrio.

Otro de los fenómenos conocidos desde la antigüedad es que si una aguja magnética se deja girar libremente siempre señala la dirección Norte-Sur. La primera explicación de este hecho fue dada hacia 1600 por Gilbert, médico de la Reina Isabel I de Inglaterra, que publicó el libro “De Magnete”, primer estudio científico sobre el magnetismo terrestre y el magnetismo en general. Gilbert consideró a la Tierra como un gran imán natural cuyos polos magnéticos son próximos a los polos norte y sur geográficos. El polo sur de este gran imán que es la Tierra es el que está cerca del polo norte geográfico y, por tanto, es el que señala el polo norte de la aguja imantada. El conocimiento de este fenómeno dio lugar al desarrollo de la brújula, un dispositivo que señala siempre el norte.

Cuando se acerca un imán potente a la brújula podemos observar que el polo norte de la aguja de la brújula es atraído por el polo sur del imán . Si se cambia la orientación del imán respecto a la brújula se puede observar que ahora el polo norte del imán repele al polo norte de la aguja y atrae a su polo sur. Esto se debe a que la atracción del imán es más fuerte que la que ejerce la Tierra sobre la brújula.

FUERZA de LORENTZ

Cuando una carga eléctrica en movimiento, se desplaza en una zona donde existe un campo magnético, además de los efectos regidos por la ley de Coulomb, se ve sometida a la acción de una fuerza.Supongamos que una carga Q, que se desplaza a una velocidad v, en el interior de un campo magnético B. Este campo genera que aparezca una fuerza F, que actúa sobre la carga Q, de manera que podemos evaluar dicha fuerza por la expresión:

Como la fuerza es el resultado de un producto vectorial, será perpendicular a los factores, es decir, a la velocidad y al campo magnético. Al ser perpendicular a la velocidad de la carga, también lo es a su trayectoria, por lo cuál dicha fuerza no realiza trabajo sobre la carga, lo que supone que no hay cambio de energía cinética, o lo que es lo mismo, no cambia el módulo de la velocidad. La única acción que se origina, cuando la partícula entra en el campo magnético, es una variación de la dirección de la velocidad, manteniéndose constante el módulo.

Este cambio de dirección es debido a que la fuerza que aparece va a actuar como fuerza centrípeta, originando un movimiento de rotación de la partícula en el interior del campo magnético. En el gráfico que vemos al lado,  observamos la fuerza producida, que es la que originará ese cambio de dirección. B representa al campo, cuyo sentido es hacia el interior de la página. F es la fuerza, que, como vemos, tiene dirección radial, es decir, actúa como fuerza central y, v es la velocidad de la carga.

Existe una regla muy sencilla para obtener la dirección, obvia por ser el resultado de un producto vectorial, y el sentido de la fuerza que actúa sobre la carga. Se conoce con el nombre de la "Regla de la mano izquierda". Tal y como vemos en la

figura, si colocamos los dedos de la mano izquierda pulgar, índice y medio, abiertos y perpendiculares entre sí, cada uno de ellos señala uno de los vectores:

Movimiento de una carga en un B uniforme: ciclotrón

Supongamos que en una región del espacio existe un campo B uniforme y una cargaq se desplaza con una velocidad v perpendicular al campo. Como se ha visto, la fuerza que actúa sobre la carga es siempre perpendicular a la velocidad, luego provoca una aceleración normal que hace que se curve la trayectoria y se genera un movimiento circular en el que la fuerza magnética actúa de fuerza normal o centrípeta y en el que el módulo de la velocidad permanece constante, por no existir ninguna fuerza tangencial.

Efecto Motor

Otro fenómeno causado por el movimiento de carga a través de un conductor, es el efecto motor, el cual se asocia directamente a la ley de Lorentz (también llamada fuerza de Lorentz).

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), fue un un físico y matemático neerlandés galardonado con el Premio Nobel de Física del año 1902. Hizo muchos estudios relacionados a campos magnéticos, uno de sus principales aportes fue enunciar la ley por la que se rige el funcionamiento de los motores eléctricos en dc hoy en día, la cual dice: “Cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza

perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha”.

Donde:

F: Fuerza en newtons I: Intensidad que recorre el conductor en amperios l: Longitud del conductor en metros B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo tesla

También existen otras formas de expresar esta ley, como por ejemplo el caso de una partícula sometida a un campo eléctrico combinado con un campo magnético, la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz sobre esa partícula viene dada por:

Donde v  es la velocidad de la carga, E  es el vector intensidad de campo eléctrico y B es el vector inducción magnética. La expresión siguiente está relacionada con la fuerza de Laplace o fuerza sobre un hilo conductor por el que circula corriente:

Donde L es la longitud del conductor, I  es la intensidad de corriente y B  la inducción magnética. A pesar de ser unaconsecuencia directa de ella, esta última expresión históricamente se encontró antes que la anterior, debido a que las corrientes eléctricas se manejaban antes de que estuviese claro si la carga eléctrica era un fluido continuo o estaba constituida por pequeñas cargas discretas.

Regla de la mano Izquierda

La regla de la mano izquierda, o regla de Fleming de la mano izquierda es una leymnemotécnica utilizada en electromagnetismo que determina el movimiento de un conductor que está inmerso en un campo magnético o el sentido en el que se genera lafuerza dentro de él.

FUNCIONAMIENTO

...En un conductor que está dentro de un campo magnético perpendicular a él y por el cual se hace circular una corriente, se crea una fuerza cuyo sentido dependerá de cómo interactúen ambas magnitudes (corriente y campo). Esta fuerza que aparece como resultado se denomina fuerza de Lorentz. Para obtener el sentido de la fuerza, se toma el dedo índice de la mano (izquierda) apuntando a la dirección del campo magnético que interactúa con el conductor y con el dedo corazón se apunta en dirección a la corrienteque circula por el conductor, formando un ángulo de 90 grados. De esta manera, el dedo pulgar determina el sentido de la fuerza que experimentará ese conductor.

Partículas cargadas eléctricamente

También es útil para averiguar el sentido de la fuerza que el campo magnético ejerce sobre un partícula con carga eléctrica positiva que circula por el seno de dicho campo magnético, simplemente cambiando la dirección de corriente por la dirección de movimiento de la partícula, como indica la ilustración. Si se requiere saber la dirección de la fuerza de una partícula con carga negativa, debemos tomar como sentido de la fuerza el opuesto al que indica el dedo pulgar de la mano izquierda.