Magnetismo
1 INTRODUCCIÓN
Buenos días, somos Santino Arcodaci, Noah Asz Kaplun, Iván Berajá y Mateo Calaza, y entre
hoy y el martes vamos a dar una introducción sobre el magnetismo. En estas clases vamos a
abordar ciertos temas relacionados al campo magnético, su vector y las líneas de inducción,
ejemplos de líneas de campo en distintos imanes, el campo magnético terrestre y un
experimento (el de Oersted) en la clase del martes.
La idea de la clase de hoy es introducir los principales temas del magnetismo que nos van a
ayudar a entender mejor los ejemplos y experimentos de la clase del martes. En primer lugar,
vamos a explicar a qué se le llama campo magnético, y su vector y después hablar de las líneas
de inducción de este campo.
La clase que viene, ya entendiendo qué es el campo magnético y sus líneas de inducción vamos
a poder ver cómo se manifiestan en tres tipos de imanes distintos, así como el fenómeno de la
Tierra y un experimento que demostrará el vínculo entre la electricidad y el magnetismo, que
empezaremos a mencionar esta clase.
2 MAGNETISMO
Para empezar, antes de explicar qué es el campo magnético, mencionaremos brevemente cómo
se explica el magnetismo y por qué existen ciertos objetos que poseen propiedades magnéticas,
mientras que otros no.
El magnetismo se explica, según el modelo tradicional, por la presencia de pequeños o mini
imanes dentro de los imanes. Estos mini imanes pueden estar orientados de manera azarosa o
alineados. Si la orientación de todos estos minimanes es distinta, los impulsos magnéticos que
producen se cancelarán entre sí, de manera que no habrá magnetismo. Sin embargo, en el caso
de que todos los minimanes estén orientados con igual dirección y sentido, sus impulsos se
sumarán y estaremos frente a un imán.
Siguiendo este modelo, podemos clasificar a los objetos magnéticos. Por un lado, tenemos a
los imanes naturales, cuyos mini imanes están orientados naturalmente con igual dirección y
sentido.
Por otra parte, tenemos los objetos o materiales que no son naturalmente magnéticos, pero
que pueden, al estar influenciados por el campo magnético (concepto que explicaremos a
continuación) de uno que sí lo es. Entre ellos se encuentran los materiales ferromagnéticos,
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cuyos mini imanes tienen una fuerte tendencia a orientarse al ser influenciados por un campo
magnético. Algunos materiales ferromagnéticos son aleaciones de hierro, cobalto o níquel.
Los materiales paramagnéticos, como el magnesio o el titanio, por su parte, tienen mini imanes
con una tendencia más bien leve a alinearse frente a la influencia de un campo magnético, ya
que son más propensos a ubicarse azarosamente. Sin embargo, pueden llegar a generar
magnetismo.
Por último, los diamagnéticos repelen los campos magnéticos y sus mini imanes no se ven
influenciados por ellos, por lo cual es prácticamente imposible generar magnetismo en ellos.
El hidrógeno, el bronce y el oro son materiales diamagnéticos.
Posteriormente, se demostró que lo que realmente determina el magnetismo de un material es
la orientación de sus electrones, pero esto será explicado en profundidad por otros grupos.
3 CAMPO MAGNÉTICO: CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES
3.1 EL CAMPO
El campo (eléctrico, magnético, gravitacional) fue una herramienta elaborada por Michael
Faraday para explicar la influencia de algo sobre el espacio que lo rodea y dota de ciertas
propiedades. Básicamente, el campo es una función matemática que le asigna un valor a cada
punto del espacio. Pueden ser: escalares (números) o vectoriales (tienen una dirección y
sentido, como en el caso del campo eléctrico y magnético porque son campos de fuerzas).
3.2 CAMPO MAGNÉTICO, ELÉCTRICO Y GRAVITACIONAL
Las fuerzas magnéticas, al igual que las eléctricas y gravitacionales, actúan entre objetos que
no se encuentran necesariamente en contacto directo. En el magnetismo, la electricidad y la
gravitación, existe una región en el espacio que llamamos campo de fuerzas, y que ejerce
influencia sobre determinados objetos. Así como el espacio que rodea a un planeta está lleno
con un campo gravitacional y el que rodea a un cuerpo con carga eléctrica está lleno por un
campo eléctrico, el que rodea a un imán u objeto conductor en el que se propaga una corriente
eléctrica es un campo magnético. Podemos pensar en este campo magnético como una especie
de aura que se extiende por el espacio.
El campo magnético es una región en el espacio que rodea al imán. Es un campo físico que se
puede representar mediante un modelo matemático que nos ayuda a comprender cómo
interactúan ciertos elementos, como algunos metales, con el imán u objeto conductor a través
de fuerzas magnéticas. Podemos visualizar el campo magnético como un campo vectorial, lo
que significa que, en cada punto del espacio, hay una dirección y una intensidad de la fuerza
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magnética. Por ejemplo, si tenemos una pequeña limadura de hierro en un punto específico,
esa limadura experimentará una fuerza magnética en una dirección determinada debido al
campo magnético en ese lugar.
3.3 POLOS MAGNÉTICOS
Las fuerzas que ejercen los imanes entre sí se parecen a las fuerzas eléctricas. Ambas se atraen
y repelen sin tocar, dependiendo de qué extremos de los imanes están cerca uno de otro.
También, la intensidad depende de la distancia entre los imanes. Sin embargo, a diferencia de
la fuerza eléctrica, no son las cargas sino los polos magnéticos los que originan las fuerzas
magnéticas. Se llaman polo norte y polo sur.
Cuando el polo norte de un imán se acerca al polo norte de otro se repelen; lo mismo ocurre
con dos polos sur. Sin embargo, si se acercan polos opuestos, hay atracción. Los polos iguales
se repelen, los opuestos se atraen. La diferencia con las cargas eléctricas es que éstas se pueden
aislar, mientras que los polos magnéticos no; no existe un polo norte sin la presencia de un
polo sur y viceversa.
3.4 FUERZAS MAGNÉTICAS
La fuerza entre dos partículas cargadas eléctricamente quietas depende de la magnitud de su
carga y de la distancia que las separa. Pero, si éstas están en movimiento, la fuerza entre las
partículas cargadas depende también de este último. La fuerza que se debe al movimiento de
las partículas cargadas se denomina fuerza magnética. La fuente de ésta es el movimiento de
partículas con carga (electrones). Las fuerzas eléctrica y magnética son distintos aspectos de
un mismo fenómeno electromagnético
3.5 ALGUNAS PROPIEDADES
•
La intensidad del campo decrece con la distancia, no siempre de forma proporcional.
•
Inseparabilidad de los polos: No es posible separar el imán del polo, ya que son los
átomos quienes tienen sus electrones orientados. Si se lo parte, cada pedazo va a tener
su propio norte y su propio sur. Esta es otra diferencia que tiene con las cargas, que sí
se pueden separar entre positivas y negativas.
•
Los polos son las partes de un imán a las que los otros cuerpos se ven atraídos con
mayor intensidad. Es por ello que, en el dibujo del campo con las líneas de inducción
se verán con mayor densidad cerca de los polos.
•
Circulación del campo: se da con líneas de inducción cerradas, es decir las líneas que
salen del polo norte entran al sur y vuelven a salir, formando una especie de círculo.
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•
Dirección: la dirección de las líneas de inducción es de sur a norte, dentro del imán y
de norte a sur fuera del mismo.
Las fuentes de campo son distintas para el eléctrico (cargas) y el magnético (no son cargas
puntuales). Las fuentes campo magnético pueden ser dos:
•
Imanes naturales. Materiales con propiedades magnéticas. Los átomos tienen cargas en
movimiento de forma ordenada, por lo que se generan dipolos (áreas con más y menos
electrones), lo que hace una “microcorriente” en cada átomo.
•
Corrientes eléctricas (que empezaremos a mencionar la clase siguiente con el
experimento de Oersted y seguirán los siguientes grupos). Básicamente, son los
electrones en movimiento los que generan un campo magnético en el espacio
circundante.
4 VECTOR CAMPO MAGNÉTICO
Vector campo magnético: el vector campo magnético o vector inducción magnética (B) sirve
para describir del campo en un punto determinado del espacio.
•
El vector campo magnético se define como la fuerza que ejerce el campo sobre la unidad
de carga positiva que se mueve con una unidad de velocidad en dirección perpendicular
al campo en dicho punto.
•
El vector campo magnético B, en cada punto del espacio, es tangente a la línea de campo
que pasa por ese punto y tiene el sentido de la misma.
•
Dirección y sentido de B: para determinar la dirección y sentido del campo en un punto,
basta con situar una pequeña aguja magnética en dicho punto. Así, la dirección en la
que se oriente la aguja será la dirección del campo en ese punto, y el sentido será aquel
en el que apunta el polo norte de la misma. Lo mismo podemos hacer con cualquier
punto.
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LÍNEAS DE INDUCCIÓN: CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES
Las líneas de un campo magnético o líneas de inducción son una forma de representar
gráficamente la acción de las fuerzas magnéticas en el espacio. Son líneas que nunca se cruzan
y que se amontonan en las regiones en que el campo es más intenso, ya que la densidad de
líneas es sinónimo de la intensidad del campo. Se las representa matemáticamente como
vectores, pero la forma más fácil de poder visualizarlas de forma práctica es colocar un imán
sobre una hoja blanca y sobre este colocar luego limaduras de hierro, como hicimos ya varias
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veces en clase. Si bien estas no son las líneas de campo reales, es una buena manera de poder
visualizarlo.
CARACTERÍSTICAS
Las líneas de inducción son un concepto importante en la física, especialmente en el campo
del electromagnetismo. Aquí hay algunas propiedades clave de las líneas de inducción:
1. Representan el campo magnético: Las líneas de inducción magnética son utilizadas
para representar gráficamente la dirección y la intensidad del campo magnético en una
región del espacio. Estas líneas fluyen desde el polo norte magnético hacia el polo sur
magnético en un circuito cerrado.
2. Indican la dirección del campo: Las líneas de inducción magnética son trazadas de
tal manera que en cada punto de su recorrido, la dirección de la línea es tangente al
campo magnético en ese punto. Esto significa que las líneas de inducción siempre
apuntan en la dirección del campo magnético en cada punto.
3. Densidad proporcional al campo: La densidad de las líneas de inducción es
proporcional a la intensidad del campo magnético en una región dada. Cuanto más
cerca están entre sí las líneas, más intenso es el campo magnético en esa área.
4. No se cruzan entre sí: Las líneas de inducción magnética nunca se cruzan entre sí en
el vacío. Si dos líneas se acercan, eso significa que el campo magnético se fortalece en
esa región, y si se alejan, el campo se debilita.
5. Forman líneas cerradas en un imán: En un imán, las líneas de inducción magnética
forman bucles cerrados que conectan el polo norte con el polo sur. Estos bucles
representan el flujo magnético que circula a través del imán.
6. Son una representación visual útil: Las líneas de inducción magnética son una
herramienta visual valiosa para comprender y analizar el comportamiento del campo
magnético en diversas situaciones, como imanes, solenoides y corrientes eléctricas.
Estas propiedades hacen que las líneas de inducción sean una herramienta fundamental en la
física para describir y entender el comportamiento de los campos magnéticos en diversas
aplicaciones y situaciones.
Para poder entender las representaciones del campo magnético alrededor de los imanes, es
importante recordar la convención existente respecto a los polos de los imanes;
Como ya dijimos, los polos son regiones en los extremos del imán donde la fuerza magnética
es máxima. Por convención, las líneas de inducción salen del polo norte y entran al polo sur,
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y se dice que son cerradas por ese motivo. La denominación “norte” y “sur” de los polos de los
imanes proviene de la dirección a la que apuntan cuando pueden girar libremente, ya que los
polos norte giran hacia el norte terrestre, y los sur, hacia el sur.
6 LÍNEAS DE CAMPO
6.1 IMÁN EN BARRA
Se le llama imán de barra a aquel que tiene una forma prismática y que tiene en los extremos
longitudinales de ese prisma ambos polos. En los imanes de barra, decimos que las líneas de
campo son cerradas, puesto que salen del polo norte y se dirigen al polo sur sin tener
desviaciones (a menos que haya otros imanes que hagan que las líneas de inducción se
desvíen). Particularmente, realizan un recorrido curvo del polo norte al sur. Podemos observar
que aquellas líneas de inducción que están más cerca de la parte central del polo hacen un
recorrido curvo más amplio que aquellas que parten de la zona más periférica del polo; ello se
debe a que las líneas de campo no se cruzan entre sí, puesto que al incrementarse la distancia,
se reduce la intensidad del campo, por lo cual las líneas lejanas a los polos están más
distanciadas entre sí.
Campo Magnético Uniforme
Antes de pasar a explicar el siguiente tipo de imán, debemos desarrollar el concepto de campo
magnético uniforme. Recordemos que, para el campo magnético, utilizábamos el vector B, que
requiere de la carga, la velocidad y la Fuerza Magnética para ser calculado (esta fórmula la
explicará el grupo siguiente). Ahora bien, en una determinada región del campo magnético
donde el vector B tiene en todos los puntos la misma magnitud, la misma dirección y el mismo
sentido, decimos que se dará un campo magnético uniforme. En cuanto a las líneas de campo,
esto implicará que todas las líneas de inducción en esa región determinada sean paralelas,
contrario a lo que habíamos observado en el caso de los imanes en barra y los imanes esféricos.
También son igualmente espaciadas, porque, al tener los vectores de campo magnético igual
magnitud, la intensidad del campo será igual en toda la región, por lo que, por las reglas que
mencionamos antes, la distancia entre las líneas debería ser homogénea.
6.2 IMÁN EN HERRADURA
A diferencia de lo que ocurre en los dos casos anteriores, los imanes en herradura no están
magnetizados de forma homogénea en toda su longitud, sino que, respondiendo a su forma de
herradura, tiene un polo en uno de los extremos de la herradura y otro en el otro.
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El imán en herradura posee una clara forma en U por su curvatura y su polo norte y su polo
sur se encuentran en sus extremos. Al igual que en los otros imanes, las líneas de campo salen
del polo norte hacia el polo sur y tienen las mismas características que mencionamos antes.
Sin embargo, la presencia de polos extensos a lo largo de ambos ejes de la herradura produce
un campo magnético uniforme entre ambos, es decir, en la hendidura de la herradura. Esto se
debe a que ambos polos equidistan entre sí y son idénticos en extensión y forma, lo que hace
que las líneas de campo viajen de manera homogénea del polo norte al polo sur y se produzca
este campo uniforme.
6.3 IMÁN ESFÉRICO
Estos tienen dos polos ubicados en dos extremos opuestos de la esfera, y, por fuera del imán,
las líneas de inducción se representan de la misma forma curva, pero respetando la forma
tridimensional de la esfera. No obstante, dentro del imán se produce una región de campo
magnético uniforme, puesto que las líneas de campo se dirigen paralelamente del polo sur al
norte. Es por ello que el campo magnético de la tierra opera como un imán en barra y no como
un imán esférico, puesto que éste tiene líneas de campo propias de un imán en barra. Los
imanes con forma esférica más comunes son los que están hechos de una aleación de hierro
con boro y neodimio, y son aquellos que conocemos comúnmente.
Esto se da, por ejemplo, cuando se tienen dos polos opuestos que se encuentran alineados de
forma paralela y que tienen igual forma, ya que se forman líneas de campo en el medio
7 CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE
Como todos sabemos, el planeta Tierra tiene un campo gravitacional, teniendo una gran masa.
Sin embargo, también tiene un campo magnético. La Tierra es un gran imán.
Como expliqué la clase pasada, los polos magnéticos y geográficos de la Tierra están
invertidos. El norte geográfico es el sur magnético y viceversa. Si tenemos en cuenta que los
polos iguales se repelen y los distintos se atraen, el norte de un imán o brújula se atrae con el
sur magnético de la Tierra (norte geográfico). Además, hay que tener en cuenta que la
dirección N-S magnética está desviada 13° del eje longitudinal de la Tierra.
Una teoría que explica el campo magnético de la Tierra es que está creado por enormes
corrientes eléctricas que circulan en la parte líquida existente en su interior.
•
La mayoría de los geofísicos creen que hay cargas en movimiento, girando dentro de
la parte fundida de la Tierra (núcleo), que originan el campo magnético
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•
Otros geofísicos especulan que las corrientes eléctricas se deben a corrientes de
convección, debido al calor que sube desde el núcleo central combinadas con los efectos
rotacionales de la Tierra producen el campo magnético terrestre.
Lo que lo vuelve magnético es: su masa, núcleo conductor, su calor (alto), la rotación en su eje.
El campo magnético terrestre no es estable; ha variado durante el tiempo geológico. No se
mantiene con la misma intensidad ni dirección, sino que históricamente ha ido cambiando.
Asimismo, se ha estudiado, a través de las rocas, que incluso de han invertido los polos.
La interacción de los vientos solares del sol, les da una forma distinta a las líneas de campo de
la tierra, diferentes a las de un imán cualquiera. Como se ve en el dibujo, las líneas se alargan
más, con una forma más elipsoidal que circular. Pero este fenómeno se da en sólo una parte
de la Tierra. Esto depende del momento del año en que nos encontremos, en relación a la
traslación de la Tierra alrededor del Sol.
Esta interacción entre los vientos solares y el campo magnético terrestre es de suma
importancia para la vida de la Tierra. Juntos forman la magnetósfera, zona que rodea el campo
magnético hasta chocar con el viento solar y nos protege de la radiación solar extrema (UV,
rayos X, rayos gamma) y del viento solar. Se cree que otros planetas, al no poseer este
fenómeno, no están protegidos de estas consecuencias, como Marte.
Los vientos solares, también, son causantes de las conocidas auroras boreales. Éstas se
producen en los polos debido a la desviación de algunas partículas del viento solar que cuando
alcanzan la atmósfera, colisionan con átomos de oxígeno y nitrógeno de los polos y liberan esa
energía como fotones (luz).
8 EXPERIMENTO DE OERSTED
Hans Christian Oersted (1777-1851) fue un físico danés, que se desempeñó principalmente
como profesor e investigador en las áreas de física y química en la Universidad de Copenhague,
con una no tan relevante incursión en la filosofía. En un ensayo de 1813, Oersted afirmó que
intuía la existencia de un vínculo entre la electricidad y el magnetismo.
Esta hipótesis fue confirmada por el propio Oersted con una experimentación que condujo en
1820. El experimento consistió en colocar una aguja magnética sobre un conductor de
electricidad. En un primer momento, la aguja se orientaba en dirección norte-sur, como ya
sabemos que sucede con todos los imanes. Cabe aclarar que el conductor estaba dispuesto
también en dirección norte-sur. Sin embargo, lo novedoso fue que, al hacer pasar una corriente
eléctrica por el conductor, la aguja se orientaba en dirección perpendicular al mismo. Al
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detener la corriente, la aguja volvía a su posición original. De esta manera, Oersted confirmó
que la corriente eléctrica puede generar efectos magnéticos, comprobando la relación entre la
electricidad y el magnetismo y sentando las bases para lo que, luego de muchas investigaciones
posteriores, se consolidaría como una de las ramas de la física: el electromagnetismo.
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