Electromagnetismo

7.1 Definiciones.

Los jóvenes les fascinan los imanes, principalmente porque éstos actúan a distancia.

Uno puede mover un clavo acercándole un imán, aunque haya un trozo de madera entre ellos. Asimismo, un neurocirujano puede guiar una pastilla a través del tejido cerebral para llegar a tumores inoperables, poner en posición un catéter o implantar electrodos con poco daño al tejido cerebral. El uso de los imanes aumenta día con día.

El término magnetismo proviene de Magnesia, una provincia costera de Thessaly en la Grecia antigua, donde se encontraron ciertas piedras hace más de 2000 años. Esas piedras se llamaron piedras imán, y tenían la extraña propiedad de atraer piezas de hierro. Los chinos usaron los imanes en sus brújulas en el siglo XII, para guiarse en la

navegación.

Por lo tanto el  electromagnetismo , estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos que se unen en una sola teoría aportada por Faraday, que se resumen en cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos y magnéticos conocidas como las ecuaciones de maxwell Gracias a la invención de la pila de limón, se pudieron efectuar los estudios de los efectos magnéticos que se originan por el paso de corriente electrica a través de un conductor.

7.2 Campo magnético terrestre

El campo magnético terrestre (también llamado campo geomagnético), es el campo magnético que se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta el límite en el que se encuentra con el viento solar; una corriente de partículas energéticas que emana del Sol.

Para poder ver lo que es el campo magnético terrestre tenemos que empezar con la definición de campo magnético:

El campo magnético es una propiedad del espacio por la cual una carga eléctrica puntual de valor que se desplaza a una velocidad,sufre los efectos  de una fuerza perpendicular y proporcional  a la velocidad y a una propiedad del campo, llamada inducción magnética en ese punto, y se representa:

F= q v*B

El magnetismo de la Tierra es el resultado del movimiento que se produce dentro de ella. La teoría sugiere que el núcleo de hierro es líquido(excepto en el mismo centro, donde la presión solidifica el núcleo) y que las corrientes de convección, que se producen dentro del mismo, crean un gigantesco campo magnético.

Se calcula que el campo magnético tiende a trasladarse hacia el Oeste alrededor de 20 km. por año. El núcleo sólido interno gira más despacio que el núcleo exterior, explicándose así el traslado hacia el Oeste.
La intensidad del campo magnético de la Tierra varía en diferentes puntos de su superficie. Para medir la intensidad se utilizan aparatos llamados magnetómetros.

7.3 Trayectoria de las cargas en movimiento dentro un campo magnético

La fuerza magnética que actúa sobre una partícula cargada que se mueve en un campo magnético es siempre perpendicular a la velocidad de la partícula. De esta propiedad se sigue que:

El trabajo realizado por la fuerza magnética es cero ya que el desplazamiento de la carga es siempre perpendicular a la fuerza magnética. Por lo tanto, un campo magnético estático cambia la dirección de la velocidad pero no afecta la rapidez o la energía cinética de la partícula cargada.

Considérese el caso especial de una partícula cargada positivamente que se mueve en un campo magnético externo con su vector de velocidad inicial perpendicular al campo. Supóngase que el campo magnético está dirigido hacia adentro de la pagina (esto indica por las cruces en la figura 29.13).

Las cruces se utilizan para representar la cola de B, ya que está dirigido hacia adentro de la página. Después se utilizaran los puntos para representar la punta de un vector dirigido hacia fuera de la página. La figura 29.13 muestra que:

La partícula cargada se mueve en un círculo cuyo plano es perpendicular al campo magnético. 

7.4 Fuerzas magnéticas entre corrientes

La simple lógica indica que si una partícula cargada que se mueve a través de un campo magnético está sometida a una fuerza desviadora, entonces una corriente de partículas cargadas que se mueve a través de un campo magnético también siente una fuerza desviadora. Si las partículas están en un conductor, cuando responden a la fuerza desviadora, el alambre también será empujado ,Si se invierte la dirección de la corriente, la fuerza desviadora actúa en dirección contraria. La fuerza es máxima cuando la corriente es perpendicular a las líneas de campo magnético. La dirección de la fuerza no es a lo largo de las líneas de campo magnético, ni a lo largo de la dirección de la corriente. La fuerza es perpendicular tanto a las líneas de campo como a la corriente. Es una fuerza lateral.

Vemos que así como un conductor con corriente desvía una brújula (que fue lo que descubrió Oersted en su aula en 1820), un imán desviará a un conductor con corriente eléctrica. El descubrimiento de tales relaciones complementarias entre la electricidad y el magnetismo causó gran excitación, porque casi de inmediato las personas comenzaron a dominar la fuerza electromagnética para fines útiles, con grandes sensibilidades en los medidores eléctricos y con grandes fuerzas en los motores eléctricos.

7.5 Leyes De Electromagnetismo.

Estas leyes que vamos a utilizar en la resolución de los problemas de aplicaciones prácticas del electromagnetismo, son las siguientes:

1º.- Fuerza sobre una partícula cargada en un campo eléctrico.- De acuerdo con la definición de intensidad de campo eléctrico, la fuerza que actúa sobre una partícula cargada con una carga q  en un campo eléctrico E , vendrá dada con un  módulo con una dirección : la de  con un sentido igual al del campo si q es positiva y el contrario si es negativa.

Ley de Gauss

Esta ley establece que el flujo eléctrico neto, , a través de cualquier superficie gaussiana (superficie cerrada), es igual a la carga neta dentro de la superficie dividida por :

∅=∮▒E.dA=q_m/∈_0

Donde  = carga eléctrica cerrada por la superficie gaussiana.

La ley de Gauss se utiliza para determinar la intensidad de campo eléctrico debido a distribuciones de carga eléctrica con alto grado de simetría. Esta ley es una de las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.

Ley de Biot-Savart 

Los campos magnéticos son producidos con cargas en movimiento, esto es, por corriente eléctrica.

7.6 Ley De Ampere

La ley que nos permite calcular campos magnéticos a partir de las corrientes eléctricas es la Ley de Ampère. Fue descubierta por André - Marie Ampère en 1826 y se enuncia:

La integral del primer miembro es la circulación o integral de línea del campo magnético a lo largo de una trayectoria cerrada, y:

μ0 = es la permeabilidad del vacío

dl =es un vector tangente a la trayectoria elegida en cada punto

IT=  es la corriente neta que atraviesa la superficie delimitada por la trayectoria, y será positiva o negativa según el sentido con el que atraviese a la superficie.

7.7 Inductancia Magnética 

La inductancia es el campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma que conforma uninductor. Un inductor puede utilizarse para diferenciar señales cambiantes rápidas o lentas. Al utilizar un inductor con un condensador, la tensión del inductor alcanza su valor máximo a una frecuencia dependiente de la capacitancia y de la inductancia.

La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta.Con muchas espiras se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos considerablemente la inductancia.

Ejemplo.

Un ejemplo de inductanciapropia, lo tenemos cuando por una bobina circula una corriente alterna. Como sabemos, al circular la corriente por la bobina formara un campo magnético alrededor de ella, pero al variar el sentido de lacorriente también lo hará el campo magnético alrededor de la bobina, con lo cual se produce una variación en las líneas del flujo magnético a través de ella, esto producirá una fem inducida en labobina.

7.8 Energía asociada con un campo magnético.

La energía necesaria para crear un campo magnético puede calcularse en dos formas: en función de las corrientes en las espiras de alambre o como una integral de la densidad de energía sobre el campo entero.

Si no se registran pérdidas (como las debidas a histéresis), la energía utilizada para crear el campo magnético puede recuperarse cuando sea apagado, de modo que representa la energía de él.

7.9 Densidad de energía magnética.

Ya que Al es el volumen del selenoide, la energía almacenada por unidad de volumen en un campo magnético está dada por:

Aunque la ecuación anterior se dedujo para el caso específico de un soleniode, ésta es valida pora cualquier región del espacio en donde exista un campo magnético.  Obsérvese que es similar en forma a la ecuación de la energía por unidad de volumen almacenada por un campo eléctrico.  En ambos casos la densidad de energía es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo. 

La inducción magnética o densidad de flujo magnético, cuyo símbolo es B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y en algunos textos modernos recibe el nombre de intensidad de campo magnético, ya que es el campo real.

La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el tesla.

Está dado por:

donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga que se mueve a una velocidad v a una distancia r de la carga, y ur es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r).

o bien:

donde B es la densidad del flujo magnético generado por un conductor por el cual pasa una corriente I, a una distancia r.

7.10 Aplicaciones

MAGNETOTERAPIA Hoy en día los imanes permanentes están expandiendo su rol dentro del mundo de la medicina y la salud, ofreciendo un alivio a los dolores extremos. Muchas personas los han usado para calmar dolores, insomnios, artrosis, dolores musculares y mucho mas dándoles energía vital para su cuerpo. 

Se ha encontrado en los imanes permanentes una herramienta segura y versátil para ayudar al organismo en su proceso de cura. La magnetoterapia como terapia natural segura, no perjudicial, barata, no produce adicción y no tiene efectos colaterales como la mayoría de las drogas por que con la magnetoterapia se puede aliviar dolores y como actúa dentro de nuestro organismo. Muchos investigadores creen que los imanes permanentes aumentan la circulación, energizan y oxigena la sangre, y que ese incremento de energía en la sangre fluye estimulando nuestro cuerpo como un proceso de cura neutral.

Video-tutoriales

• Electromagnetismo

• Electromagnetismo ( Parte 4)

Ley de ampere

• Fuerzas Magnéticas