Campo magnético

El campo magnético es el espacio que rodea una carga o corriente eléctrica en movimiento. En este espacio se produce una fuerza sobre cualquier otra carga o corriente en movimiento que se coloque en el campo. En física, el campo magnético se representa por:

$estilo tamaño 16px negrita B con negrita arpón derecho con anzuelo hacia abajo encima fin estilo$

La dirección de B se define como aquella en la que tiende a apuntar el polo norte de la aguja de una brújula.

Las propiedades magnéticas de los materiales tienen su origen en la estructura electrónica; sin embargo, solo en algunos materiales llamados ferromagnéticos se observa un campo magnético visible.

La definición formal desde el punto de vista de la física del campo magnético es:

$negrita B negrita igual fracción numerador negrita F entre denominador negrita q negrita v negrita espacio negrita senθ fin fracción$

donde la magnitud del campo magnético B es igual a la fuerza F sobre la carga q que se mueve con velocidad v en un ángulo θ de la dirección del campo magnético.

Características del campo magnético

Es una cantidad vectorial, es decir, tiene dirección y sentido.
La fuerza magnética F no tiene la misma dirección que el campo magnético B, sino que es perpendicular.
Es un espacio tridimensional.
La intensidad del campo magnético es proporcional a la densidad de las líneas de campo.

Líneas de campo magnético

lineas de campo magnetico — Las limaduras de hierro se alinean tangentes a las líneas del campo magnético de un imán.

Las líneas de campo magnético muestran el espacio que es afectado por el campo magnético de un imán o un conductor eléctrico. Se representan como círculos con centro en la línea de v y que yacen en planos perpendiculares a esta línea.

Las limaduras de hierro así como las agujas de una brújula sirven para darnos una idea de cómo se ven las líneas de campo.

Características de las líneas de campo magnético

lineas de campo magnetico de un iman de barra — Líneas del campo magnético de un imán de barra.

Las líneas de campo magnético nunca se cruzan.
No son "líneas de fuerza", es decir, la fuerza magnética que experimenta una carga no sigue la misma dirección que la línea de campo magnético.
Tienen la misma dirección en que apuntaría la aguja de una brújula colocada en cada sitio.
No tienen extremos, las líneas de campo de un imán van del polo norte al polo sur y pasan por el interior del imán, por lo que forman espiras cerradas.
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.

Fórmula de campo magnético

La intensidad del campo magnético B es proporcional a la carga q, a 1/r², a la rapidez v de la partícula y al seno del ángulo ø, según la siguiente fórmula:

$bold italic B negrita igual fracción numerador negrita mu subíndice negrita 0 entre denominador negrita 4 negrita pi fin fracción fracción numerador negrita barra vertical negrita q negrita barra vertical negrita v negrita espacio negrita s negrita e negrita n negrita conjunto vacío entre denominador negrita r elevado a negrita 2 fin fracción$

donde µ₀/4π es una constante de proporcionalidad, siendo el valor de µ₀igual a 4π x 10^-7 T.m/A.

El campo magnético de una carga puntual con velocidad constante como producto vectorial:

$estilo tamaño 16px negrita B con negrita arpón derecho con anzuelo hacia abajo encima igual fracción numerador negrita mu subíndice negrita 0 entre denominador negrita 4 negrita pi fin fracción fracción numerador q bold italic v con arpón derecho con anzuelo hacia abajo encima espacio normal x negrita espacio estilo mostrar negrita r con negrita circunflejo encima fin estilo entre denominador negrita r elevado a negrita 2 fin fracción espacio fin estilo$

La fuerza F sobre una carga q que se mueve con velocidad v en un campo magnético B viene dada por:

$estilo tamaño 16px negrita F con negrita arpón derecho con anzuelo hacia abajo encima igual q pila negrita v negrita espacio con negrita arpón derecho con anzuelo hacia abajo encima espacio x espacio bold italic B con arpón derecho con anzuelo hacia abajo encima fin estilo$

Unidades de campo magnético

Las unidades del campo magnético B son las mismas que las unidades de F/qv. Esto es, la unidad del SI para B equivale a 1 N.s/C.m (newton por segundo sobre coulomb por metro).

$estilo tamaño 16px fracción numerador negrita F entre denominador negrita q negrita v fin fracción flecha doble derecha fracción numerador negrita N negrita. negrita s entre denominador negrita C negrita. negrita m fin fracción fin estilo$

En vista de que un ampere es igual a un coulomb por segundo (1A=1C/s), la unidad de campo magnético se transforma en:

$estilo tamaño 16px negrita 1 negrita espacio negrita tesla negrita igual negrita 1 negrita T negrita igual negrita 1 fracción numerador negrita N entre denominador negrita A negrita. negrita m fin fracción fin estilo$

Esta unidad recibe el nombre de tesla (T) en honor al científico Nikola Tesla (1857-1943). Otra unidad que se usa para el campo magnético es el gauss, siendo:

$estilo tamaño 16px negrita 1 negrita espacio negrita gauss negrita igual negrita espacio negrita 1 negrita G negrita espacio negrita igual negrita 10 elevado a negrita menos negrita 4 fin elevado negrita espacio negrita T fin estilo$

¿Cómo se genera un campo magnético?

Los campos magnéticos pueden ser creados por imanes y por corrientes eléctricas. En los imanes o magnetos permanentes, los electrones que circulan alrededor del núcleo forman una corriente eléctrica, produciendo un campo magnético; cuando todos los campos magnéticos de todos los átomos del material están alineados, se dice que el material está "magnetizado".

Los electroimanes son magnetos no permanentes que funcionan solo cuando tienen un flujo de electricidad. Esto es producto de un número enorme de partículas con carga que se desplazan en una corriente. La primera evidencia de la relación entre magnetismo y cargas eléctricas en movimiento la descubrió el científico danés Hans Christian Oersted en 1820.

Tipos de campos magnéticos

Campo magnético uniforme: campo magnético donde la magnitud y dirección son iguales en todos los puntos del mismo. Esto se puede observar parcialmente entre las barras paralelas de un imán en forma de U, o en los solenoides.
Campo magnético no uniforme: campo magnético donde la magnitud y la intensidad no son iguales en todos los puntos del campo. Por ejemplo, el campo magnético terrestre.

Ejemplos de campo magnético

En nuestros hogares, probablemente nos encontramos con campos magnéticos a todo nuestro alrededor. Veamos.

Imanes

Los imanes pueden ser de varios materiales, de formas y tamaños diversos y siempre tienen un polo norte y un polo sur. Cuando se divide un imán, de ninguna manera se separan los polos, en cambio, cada nuevo pedazo presenta un polo sur y un polo norte.

Los imanes crean un campo magnético a su alrededor. Por ejemplo, un imán de neodimio presenta un campo magnético de gran intensidad en comparación con los imanes de hierro.

Campo magnético de la Tierra

brujula ejemplo de campo magnetico — Es gracias al campo magnético de la Tierra que las brújulas funcionan.

La Tierra es un gran imán con dos polos: el polo norte magnético apunta al polo sur geográfico, y el polo sur magnético apunta al polo norte geográfico, con una leve inclinación de 10º. En el interior o núcleo de la Tierra, el material fundido está en movimiento y genera el campo magnético terrestre. Existen evidencias geológicas que muestran que este cambia de dirección cada medio millón de años.

El campo magnético de la Tierra es del orden de 10^-4T y sirve para desviar partículas cargadas de alta energía solares hacia las regiones polares. Allí, se originan las auroras boreales en el hemisfero norte y las auroras australes en el hemisferio sur.

Referencias

Holzner, Steven. Physics II for dummies. Wiley Publishing. 2010.

Sears, F., Zemansky, M., Young, H,D., Freedman, R.A. Física Universitaria con Física moderna volumen 2.12a edición. Pearson Educación, México 2009.

Vea también Electromagnetismo.