Unidad III .INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Lección 2 :Interacción magnética. Dep. Física y Química . I.B. "El Portillo"
FÍSICA 2º BACHILLERATO Pág. 1
1.- FENOMENOLOGÍA MAGNÉTICA BÁSICA: PROPIEDADES DE LOS IMANES;
EXPERIENCIA DE OERSTED.
Los imanes atraen al hierro y se orientan al interaccionar entre ellos. Estos fenómenos
magnéticos son conocidos desde hace mucho tiempo, pues existen imanes naturales como la
magnetita .
La interacción entre imanes se explicaba de forma similar a la electrostática, suponiendo la
existencia de polos magnéticos de dos tipos, "norte" y "sur" que venían a representar a las cargas
positivas y negativas. Los polos del mismo nombre se repelen y los de diferente, se atraen. Estos
nombres indican la orientación que un imán experimenta en el campo magnético terrestre: el
llamado polo norte del imán es el que señala la dirección del polo norte ( geográfico ) de la Tierra.
Esto viene a decir que nuestro planeta es como un gran imán cuyos polos magnéticos están con el
nombre geográfico cambiado: el polo norte, es en realidad un polo sur magnético, y viceversa.
En este paralelismo con el campo eléctrico, se usaba incluso una ley similar a la de Coulomb,
la ley de Michell que daba cuenta de la fuerza entre "masas" magnéticas, formalmente idéntica a las
de Coulomb o Newton.
Había una dificultad: no se podían aislar los polos norte de los polos sur, siempre aparecían
por pares. Al romper un imán por la mitad, aparecían dos nuevos imanes cada uno con su polo norte
y su polo sur.
En 1820 una experiencia didáctica llevada a cabo por el danés Oersted, demostró, de forma
casual, el origen eléctrico de los fenómenos magnéticos.
Al establecerse el paso de corriente por un conductor rectilíneo, una brújula que estaba por
allí, se orientaba perpendicularmente a la dirección del hilo, como si hubiese otro imán actuando
sobre ella.
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B
v
F
q
Este hecho mostró la íntima relación existente entre los dos tipos de interacciones y condujo
a la elaboración de una teoría conjunta que las interpreta como dos manifestaciones de una sola
interacción, la electromagnética, causada por la carga eléctrica que tienen las partículas materiales.
2.- FUERZAS SOBRE CARGAS MÓVILES SITUADAS EN CAMPOS MAGNÉTICOS.
FUERZA DE LORENTZ. CAMPO MAGNÉTICO .PB
Hemos visto como el experimento de Oersted mostró que en las proximidades de un
conductor por el que circula corriente se ponen de manifiesto efectos idénticos a los que produce
un imán. De acuerdo con la teoría de Maxwell ello se debe a que las cargas eléctricas en movimiento,
además de los efectos eléctricos, producen un campo magnético.
Del mismo modo, una carga eléctrica que se
mueva en un campo magnético, sea cual sea su
procedencia, experimenta una acción que depende de
su carga y de su movimiento.
Para describir la acción del campo magnético
se introduce una magnitud vectorial que se llamaPB
inducción magnética, de modo que la fuerza viene
dada por la expresión: PF ' q (Pvx PB )
Esta fuerza se llama Fuerza de Lorentz y, aunque en
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P' PF @ Pv ' q (Pvx PB )@ Pv ' q (PvxPv )@ PB ' 0
B 'F
qvsenα
1T '1N
1C m s &1' 1Kg C &1 s &1
esencia no es una fuerza conservativa (depende de la velocidad),conserva la energía pues no realiza
ningún trabajo:
La expresión de la fuerza de Lorentz sirve como definición de la magnitud : PB
- su dirección coincide con la de las cargas que no sufran desviación.
- su módulo se puede obtener despejando de F ' q v B senα
lo que nos lleva a afirmar que la inducción magnética B es la fuerza que actúa sobre la
unidad de carga que se mueve con la velocidad de 1 m/s en dirección perpendicular
al propio vector B.
La unidad correspondiente en el Sistema Internacional es el Tesla .
Se puede definir diciendo que "1 Tesla es el valor de la inducción magnética de un punto tal
que cuando en dicho punto se mueve una carga de 1 C con la velocidad de 1 m/s en
dirección perpendicular al vector B experimenta la fuerza de 1 N".
Líneas de inducción.
Del mismo modo que en cual-
quier campo vectorial, para visualizar al
campo magnético se pueden usar las
líneas de inducción que son líneas tan-
gentes en todos sus puntos a la dirección
del vector . Por convenio, se dibujanPB
saliendo del polo norte y entrando por el
polo sur.
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qvB ' mv 2
R
R 'mv
qB
3.- MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS CARGADAS EN UN CAMPO MAGNÉTICO
UNIFORME. APLICACIONES: ESPECTRÓGRAFO DE MASAS. CICLOTRÓN.
Supongamos que una carga positiva se mueve perpendicularmente a la dirección de un
campo magnético uniforme. Como hemos visto, la fuerza es perpendicular a la velocidad y no cam-
bia el módulo de ésta sino sólo su dirección, describiéndose, por tanto, una circunferencia.
por lo que el radio de dicha circunferencia será:
El sentido de la fuerza y, por lo tanto, el del giro, dependerán de que la carga sea positiva o negativa.
Si la dirección de la ve-
locidad no fuese esa, se podría
descomponer la velocidad en
dos componentes, una en direc-
ción del campo magnético yPv2
otra perpendicular a él, . Pvz
La componente paralela al cam-
po no va a verse modificada, siendo, por tanto, el movimiento en esa dirección rectilíneo y
uniforme, mientras que, en el plano perpendicular, la fuerza actuante producirá un movimiento
circular, como se ha visto. El movimiento resultante será helicoidal, como puede verse en la figura.
En los espectrógrafos de masas o en el ciclotrón (acelerador de partículas) las partículas
cargadas se mueven inicialmente en dirección perpendicular al vector inducción magnética .PB
Espectrógrafo de masas
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Los espectrógrafos de masas sirven para medir
las masas de los átomos y sus diversos isótopos.
En realidad, miden la relación carga - masa deq
m
átomos ionizados, pero, para iones sencillos, la
carga es fácilmente calculable.
Estos aparatos fueron desarrollados por Thom-
son, Aston y Bainbridge
El funcionamiento del aparato de Bainbridge es
el siguiente:
El haz de iones positivos es limitado por las
rendijas S1 y S2, entre las que existe una diferen-
cia de potencial que los acelera.
Al salir de la rendija S2, penetran en una región en la que existen dos campos uno eléctrico y otro
magnético, perpendiculares entre sí y a la dirección determinada por la rendija S3. Este sistema actúa
como un selector de velocidades : sólo pasarán las partículas para las que se cumpla que la suma de
las fuerzas sea nula, por lo que las acciones del campo eléctrico y del magnético deberán estar
contrarrestadas.
F qE F qvB qE qvB vE
Be m= = ⇒ = ⇒ =
Todas las partículas que salen de S3 tienen esa misma velocidad y penetran en un campo magnético
uniforme B’ perpendicular al plano del dibujo, con lo que describirán una semicircunferencia de
radio , si admitimos que los iones son monovalentes.Rmv
eB
mE
eB B=
′=
′
Así, los distintos isótopos golpearán a la placa en diferentes sitios, según cuál sea su masa, lo que
permitirá distinguir los isótopos entre sí, ademas de su abundancia relativa a partir de la intensidad
de las líneas producidas en la placa.
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Ciclotrón
Los físicos a m e r i c a n o s
Lawrence y Livingston idearon este aparato para conseguir acelerar iones de deuterio con el fin de
utilizarlos como proyectiles para producir transmutaciones atómicas artificiales.
Consta de una caja metálica cilíndrica de gran diámetro, dividida en dos partes D1 y D2, huecas en
su interior, llamadas “des”. Entre ellas se establece una diferencia de potencial alterna, de alta
frecuencia. En el espacio que las separa, que es pequeño, se crea un campo eléctrico intenso
perpendicular a los bordes de las “des”. En el interior de las dos piezas el campo será nulo.
Perpendicularmente al dibujo existe un campo magnético uniforme B
Si S es la fuente emisora de los iones que van a ser acelerados, cada ion es acelerado mientras el
campo va dirigido de D1 a D2 , describiendo una semicircunferencia de radio ,Rmv
eB=
proporcional a la velocidad, empleando en ello un tiempo que, comotR
v
mv
veB
m
eB= = =
π π π
se ve, es independiente de la velocidad del ion.
Si se ajusta la frecuencia del potencial alterno aplicado a las “des”de modo que su semiperiodo
coincida con ese tiempo, el ion volverá a ser acelerado, con lo que su velocidad irá aumentando, a
la vez que describe una semicircunferencia de radio mayor.
Así, el ion irá acelerandose hasta que el radio de la trayectoria descrita coincida con el de las “des”,
momento en saldrá del dispositivo.
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I
v
B
f
La máxima velocidad alcanzada será la correspondiente a un giro de radio D/2 , siendo D el
diámetro del ciclotrón:D mv
eBv
eBD
m2 2= ⇒ =
4.- FUERZAS MAGNÉTICAS SOBRE CORRIENTES ELÉCTRICAS.
Fuerza magnética sobre un elemento de corriente
Consideremos un conductor situado en un
campo magnético por el que circule una intensidad
de corriente , que podemos expresar: I I ' nqvS
donde es el número de portadores de carga libresn
que tiene ese conductor en cada unidad de
volumen, la carga de cada portador, la velocidadq v
media de arrastre de las cargas dentro del conductor
y la sección del citado conductor.S
Sobre cada una de esas cargas el campo magnético ejerce una fuerza: Pf ' q (Pvx PB )
que es perpendicular a la velocidad y tiende a sacar a la carga del conductor; como éste lo impide,
la fuerza se transmite al propio conductor.
Así, si queremos evaluar la fuerza que actúa sobre un elemento de conductor, basta con
sumar las fuerzas debidas a cada carga que hay en ese elemento:
Si llamamos a la longitud del elemento, en él habrá cargas con lo que la fuerzadPr dN'nSd r
que actuará sobre el elemento será:
dF fdN fnS dr nq vxB S dr
nqvS drxB I drxB
r r r r r r r
r r r r
= = = =
= =
( )
( ) ( )
Para un trozo finito de conductor, suponiendo que el campo es uniforme:
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PF ' m1
2d PF ' I (m
1
2dPr )x PB ' I (Pr
1&Pr
2)x PB
que, en el caso de un circuito cerrado daría fuerza neta nula( ), aunque cada elemento delPr1/Pr
2
circuito estaría sometido a fuerzas que tendrían efectos si el circuito era deformable.
Fuerza sobre una corriente rectilínea
Si el circuito es rectilíneo la expresión de la fuerza
nos quedaría: PF ' I (Pl x PB )
siendo un vector cuyo módulo coincide con laPl
longitud del conductor y tiene la dirección y el sentido de
la corriente.
5.-MOMENTO SOBRE UNA ESPIRA RECTANGULAR. GALVANÓMETRO
Momento magnético de un circuito.
Supongamos un circuito rectangular rígido en un campo magnético. La fuerza neta es, como
hemos dicho, nula, pero no lo es el momento total de las fuerzas.
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B
B
B
F
F
n
I
I
l
l'
n
B
F
l'
F
F
2
1
3
4
1
PM ' Pl )x PF1
PM ' Pl )xI lBPτ ' I l l ) Pnx PB ' IS Pnx PB ' Pmx PB
Como se ve en la figura, las fuerzas y producen un momento nulo, pero lasPF2
PF4
fuerzas y producen un momento:PF1
PF3
Pero donde es un vector unitario en la dirección de la fuerza .PF1' IPl x PB ' I lBPτ Pτ PF
1
Por tanto:
donde es el momento magnético del circuito.Pm ' I PS
Este momento producirá un giro que tiende a orientar al circuito de modo que su momento
magnético quede en la dirección del vector , posición en la que el momento sería nulo y habríaPB
equilibrio.
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Cara Norte Cara Sur
Así pues, una espira en un campo
magnético se comporta en forma similar a un
dipolo en un campo eléctrico, pudiéndose
considerar la espira como un dipolo magnético;
si recordamos ahora que una brújula se orienta
en un campo magnético, llegaremos a la con-
clusión de que una espira o, mejor aun, una
bobina, es como un imán con sus dos polos, norte y sur.
Galvanómetro
Es un aparato para medir corriente eléctrica
El que se describe a continuación está basado en el efecto
orientador que, como se ha visto, produce un campo magnético
sobre un circuito rígido (también hay otros que son
modificaciones del experimento de Oersted y tienen un imán
móvil).
Entre los polos de un imán en forma de herradura, hay un
cuadro de forma rectangular, formado por numerosas espiras .
El cuadro va suspendido de un delgado hilo conductor. La
corriente eléctrica a medir penetra por dicho hilo, corre por las
espiras del cuadro (una de las cuales se ve en la figura a, y
aparece seccionada en b), y sale por el hilo de la parte baja.
Dentro del cuadro se ha colocado una pieza cilíndrica de hierro
P con objeto de que el campo magnético, en el espacio ocupado
por el cuadro, sea de dirección radial. Al pasar una corriente I
por el cuadro, el campo de inducción magnética B creado por el imán no ejerce fuerza sobre los
lados horizontales de las espiras y, en cambio, sobre cada uno de los lados verticales ejerce una
fuerza F IlB= Las fuerzas que actúan sobre los lados opuestos de una misma espira son iguales y paralelas, pero
de sentidos opuestos y forman un par.
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El momento de dicho par será, como se ha visto antes, , ya que son perpendiculares elM ISB=campo B y el vector superficie.
Si hay n espiras, el momento valdrá .M nISB=
Cuando no pasa corriente, el cuadro está en equilibrio en la posición indicada en la figura.
Si circula una corriente I el par tiende a girar el cuadro y provoca una torsión en el hilo de
suspensión. Si el ángulo de torsión n es pequeño le corresponde un momento recuperador
proporcional al ángulo . El cuadro girará hasta que el par recuperador equilibre al par debido al que
ejerce el campo B.
Si C es la constante de elasticidad tendremos:
nISB C IC
nSB= ⇒ =ϕ ϕ
Es decir, la intensidad de corriente I. que pasa por el galvanómetro es proporcional al ángulo de
desviación que éste señala.
La medida del ángulo n se efectúa observando sobre una escala la desviación que experimenta un
rayo de luz que se refleja en un pequeño espejo pegado al hilo que sufre la torsión. En otros
instrumentos menos sensibles el cuadro no va suspendido de un hilo sino que tiene un eje que se
apoya sobre pivotes. En este caso, el par mecánico es suministrado por pequeños muelles arrollados
en espiral y la desviación es señalada por un índice que se mueve sobre una escala.
6.- CAMPOS MAGNÉTICOS CREADOS POR CARGAS EN MOVIMIENTO. LEY DE
AMPÈRE.
Campo magnético creado por un elemento de corriente y por una carga móvil
Como ya hemos dicho, la experiencia de Oersted mostró que una corriente eléctrica era
capaz de producir efectos magnéticos, creaba un campo magnético.
Las medidas experimentales demostraron que dicho campo era proporcional a la intensidad
de la corriente e inversamente proporcional a la del distancia del punto investigado al
conductor: BI
d∝
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d PB (Pr ) 'µ
0
4π
IdPr )x (Pr&Pr ) )
*Pr&Pr )*3
El estudio experimental de los campos creados por conductores de
diversas formas, permitió encontrar una fórmula que da la contri-
bución al campo de cada elemento de conductor y que se conoce con
el nombre de Ley de Laplace:
expresión en la que es el elemento de conductor, la intensidaddPr ) I
que circula, la posición del elemento, la posición del punto enPr ) Pr
el que investigamos el valor del campo creado y µ0 es una constante llamada permeabilidad
magnética, cuyo valor en el sistema internacional de unidades es .µ0' 4π @10&7NA &2
Si tenemos en cuenta que la intensidad de la corriente es , podremos expresar:I ' nqvS
Idr nqvSdr nqS dr v Qvr r r r r= ′ = ′ =
donde Q es la carga asociada al elemento de corriente de longitud , que podría considerarsedr ′
como una carga puntual que se moviera con velocidad .rv
Así la expresión del campo magnético creado por una carga en movimiento vendría dada por la
expresión: PB (Pr ) 'µ
0
4π
Q Pv )x (Pr&Pr ) )
*Pr&Pr )*3
Entonces, si una carga eléctrica está en movimiento, además del
campo eléctrico que crearía si estuviera en reposo, crea un campo
magnético cuyo vector inducción es perpendicular al campo
eléctrico, como se indica en la figura.
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PB (Pr ) 'µ
0
4π mC
IdPr )x (Pr&Pr ) )
*Pr&Pr )* 3
Ley de Biot y Savart. Campo creado por una corriente rectilínea indefinida
Si queremos obtener la expresión del campo magnético creado por un circuito completo en
un punto deberemos integrar la expresión anterior para todo el circuito:
En el caso de un conductor rectilíneo indefinido, las contribuciones de los elementos del
conductor al campo serán perpendiculares al plano determinado por el conductor y el punto
considerado, con lo que lo será también. Por otra parte, al ser el conductor indefinido, todos losPB
puntos situados a la misma distancia del conductor están en las mismas condiciones, por lo que el
campo creado deberá tener simetría cilíndrica con eje en el conductor y su valor será igual en puntos
situados a la misma distancia del conductor.
Aplicando el cálculo integral es fácil ver que la expresión del campo creado por un conductor
rectilíneo indefinido es : PB'µ0
I
2πdPuz
donde es un vector unitario perpendicular al plano determinado por el conductor y el punto enPuz
que estudiamos el campo.
Así pues, el campo sólo depende de la distancia y de la intensidad que circula por el
conductor, siendo las líneas de fuerza circunferencias con centro en el conductor de sentido de giro
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el correspondiente al giro de un tornillo que avanzase como lo hace la corriente en el conductor.
Ley de Ampère
Como ya sabemos, el campo eléctrico es conservativo, lo que nos permite escribir:
r rE dr.∫ = 0
Vamos a ver cómo el comportamiento del campo magnético es muy diferente.
Consideremos el caso del campo creado por un conductor rectilíneo indefinido y calculemos
el valor de tomando como línea cerrada una cualquiera de lasr rB dr.∫
líneas de fuerza de dicho campo:
r r r r rB dr
I
du dr
I
ddr
I
dd I. .= = = =∫ ∫ ∫⊥
µπ
µπ
µπ
π µ0 0 002 2 2
2
Este resultado, que muestra que el campo magnético no es conservativo,
es generalizable para cualquier trayectoria cerrada y para cualquier forma
que tenga el o los circuitos que produzcan el campo magnético , por lo
que podremos enunciar la ley de Ampère:
Para cualquier campo magnético, la circulación del vector inducción magnética B a lo largo de
cualquier trayectoria cerrada es igual al producto de la intensidad neta que atraviesa la superficie
limitada por esa trayectoria, multiplicada por la permeabilidad magnética del medio material en que
se encuentre el sistema de corrientes
Así, en el ejemplo de la figura, se cumplirá:
r rB dr I I I I. ( )= = − +∫ ∑µ µ0 0 1 2 3
Este teorema de Ampère es útil para calcular el vector
inducción magnética B producido por sistemas de
corrientes que tengan algún tipo de simetría.
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B
F
II
F
B
C C
2
1
1
1221
2
1
2
d
L
B2'
µ0I
2
2πd
PF12' I
1( PLx PB
2)
F12'
µ0I
1I
2L
2πd
7.- FUERZAS ENTRE CORRIENTES RECTILÍNEAS: DEFINICIÓN DE AMPERIO.
Sean dos conductores rectilíneos
indefinidos , paralelos, que transportan
corrientes de intensidades e queI1
I2
supondremos del mismo sentido.
Por estar cada uno de ellos
sometido al campo magnético creado
por el otro aparecerán sobre ellos fuerzas
que vamos a evaluar:
Si es la distancia entre ambos conductores, la expresión de la inducción magnética deld
campo creado por el conductor C2 en los puntos del conductor C1 será:
Por tanto, la fuerza que actuará sobre un trozo de longitud de dicho conductor será:L
siendo su dirección y sentido, de atracción hacia el conductor C2, como muestra la figura.
Como es fácil demostrar, la fuerza ejercida por el conductor C1 sobre el conductor C2 por
el hecho de hallarse éste en el campo creado por el primero, tiene el mismo valor y dirección pero
sentido contrario. Así, dos conductores paralelos con corrientes del mismo sentido se atraen.
Si hubiésemos estudiado el caso de ser contrarios los sentidos de las corrientes se habría
encontrado la misma expresión para las fuerzas, pero los sentidos habrían cambiado, siendo fuerzas
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dB'µ
0
4π
Idl ) .R sinπ
2
R3'
µ0I
4πR 2d l
dl
dl
dB
dB
2
2
1
1
de repulsión.
La expresión matemática encontrada para estas fuerzas sirve de base para la definición del
amperio internacional:
"Un amperio es la intensidad de una corriente que, al circular por dos conductores
rectilíneos indefinidos, situados en el vacío a 1 m de distancia, hace aparecer sobre
ellos fuerzas de 2 x 10-7 newton por cada metro de longitud de conductor."
8.- CAMPO MAGNÉTICO EN EL CENTRO DE UNA ESPIRA CIRCULAR Y EN UN
SOLENOIDE.
En el caso de una espira circular, el calcu-
lar el campo en cualquier punto puede ser muy
complicado. No obstante, si nos limitamos a
puntos del eje de dicha espira, el asunto es
mucho más sencillo y más todavía si el punto que
estudiamos es el centro de la espira: todas las
contribuciones de los elementos de la espira son
perpendiculares a la espira y valor:
en donde se ha tomado como origen el centro de
la espira( )y par cualquier elementoPr'0 r ) ' R
de la espira. La integral es inmediata y
produce:
PB'µ
0I
4πR 2 mCd l '
µ0I
4πR 22πR '
µ0I
2R
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PB ' µ0
N
LI Pk
B 'µ
0NI
2πR
El solenoide.
Un solenoide es una bobina con un gran
número de espiras muy apretadas. El campo en su
interior será la suma de los producidos por cada espi-
ra. Puede demostrarse que el campo es uniforme y
que su valor es, para puntos lejanos de los extremos:
donde es el nº de espiras y la longitud de la bobina. La dirección es la del solenoide y elN L
sentido, el de avance de un tornillo que girase como la corriente en las espiras de la bobina.
Si las espiras estuviesen bobinadas sobre un toroide, la longitud del solenoide
sería y por tanto el campo en su interior sería:L ' 2πR
Los valores que se han indicado para el campo magnético en el interior de un solenoide los podemos
obtener como aplicación del teorema de Ampère
En la figura se muestra la sección del solenoide, donde las aspas señalan corrientes de las espiras que
entran en el plano del papel y los puntos las que salen del mismo.
Consideremos la circulación de B en la linea cerrada marcada :
r rB dr BL.∫ =
ya que el campo es nulo fuera del solenoide.
Entonces, por aplicación de la ley de Ampère:
BL NI BNI
LB nI= ⇒ = ⇒ =µ µ µ0 0 0
donde N es el número de espiras que atraviesan la superficie limitada por la línea cerrada y “n” es
el número de espiras por unidad de longitud del solenoide
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9.- PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA: FERROMAGNETISMO;
PERMEABILIDAD MAGNÉTICA.
Como acabamos de ver, las corrientes eléctricas producen campos magnéticos, siendo por
tanto equivalentes a imanes. Esta semejanza es muy clara si comparamos un imán recto con una
bobina: el espectro de sus campos (las líneas de fuerza) es prácticamente igual.
Basándose en estos hechos, Ampère elaboró una teoría molecular para el magnetismo, según
la cual las propiedades magnéticas de la materia se deberían a los pequeños campos magnéticos
creados por los electrones desapareados. Esto explicaría la imposibilidad de observar monopolos
magnéticos aislados.
Cada uno de estos pequeños circuitos constituye un dipolo magnético, estando,
habitualmente, orientados al azar, con lo que la sustancia no presentará propiedades magnéticas,
pero si se somete a un campo magnético los dipolos tenderán a orientarse produciéndose, a la vez,
una distorsión en el campo magnético y una magnetización o imanación del material.
Al igual que en el campo eléctrico, podremos asumir esta modificación del campo magnético
como una propiedad de la materia, asignando a ésta una propiedad consistente en tener una
permeabilidad magnética µ diferente a la del vacío µ0, introduciendo una permeabilidad relativa
µr como cociente de ambas.
Atendiendo a su comportamiento ante campos magnéticos los materiales pueden clasificarse
en tres grupos:
a) Diamagnéticas: Las sustancias de este grupo tienen una permeabilidad relativa
ligeramente inferior a 1. En campos magnéticos no uniformes se dirigen hacia las zonas menos
intensas del campo. A este grupo pertenecen el oro, el cobre y la plata.
b) Paramagnéticas: Las de este grupo tienen la permeabilidad relativa ligeramente superior
a 1 y se dirigen a las zonas más intensas del campo. Pertenecen a este tipo el cromo, el manganeso
y el wolframio.
c) Ferromagnéticas: En estas la permeabilidad puede llegar a ser miles de veces mayor que
la del vacío. De este tipo son el hierro, sobre todo, el cobalto y el níquel. Estas sustancias producen
una gran modificación en el campo magnético, mientras que las anteriores apenas si lo hacen.
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10.- CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA.
Cuando se coloca una pequeña brújula en un punto de la superficie terrestre se orienta en
una dirección bien determinada, con su polo norte señalando la dirección aproximadamente del polo
norte geográfico. Este hecho era utilizado por los navegantes en el siglo XIII y parece ser que
algunos siglos antes en China para orientarse. La orientación que experimenta la aguja magnética
indica que en ese punto existe un campo magnético cuya línea de fuerza coincide con el eje de la
aguja. Lo más normal es suponer que la causa está en la propia Tierra, que se comporta como un
gigantesco imán, cuyos polos estarían
situados cerca de los polos geográficos
pero con los nombres cambiados: las líneas
de fuerza deben salir del polo sur de la
Tierra, aproximadamente, y entrar por el
polo norte lo que implicaría la existencia
de un polo norte magnético al lado del
polo sur geográfico y viceversa.
Esta idea fue sugerida por William
Gilbert, físico y médico de la Reina Isabel
I de Inglaterra, hacia el año 1600, que llegó a construirse una esfera con el mineral llamado magnetita
para estudiar el fenómeno.
Además de estar cambiados los polos, la posición tampoco coincide, sino que el supuesto
imán equivalente forma un ángulo con el eje de giro de la Tierra de unos 15º. Así, el polo norte
magnético- se denomina así por su situación a pesar de ser un polo sur- se sitúa hoy cerca de la costa
oeste de la isla Bathurst en los Territorios del Noroeste en Canadá, casi a 1.290 km al noroeste de
la bahía de Hudson, a 75,5º N y 101,0º O. El polo sur magnético se sitúa hoy en el extremo del
continente antártico en Tierra Adelia,a unos 1.930 km al noreste de Little America (Pequeña
América).
Unidad III .INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Lección 2 :Interacción magnética. Dep. Física y Química . I.B. "El Portillo"
FÍSICA 2º BACHILLERATO Pág. 20
Intensidad del campo magnético terrestre
Para conocer la intensidad del campo
magnético terrestre en un punto es necesario
conocer su dirección y su intensidad en ese
punto. La dirección queda fijada por la
declinación magnética y la inclinación
magnética.
La declinación magnética es el ángulo que forma
el plano vertical que pasa por el eje de la aguja
magnética con el meridiano geográfico del lugar.
La inclinación magnética es el ángulo formado
por el eje de la aguja con el plano horizontal. Ambos ángulos son fáciles de medir; para medir la
inducción magnética B debida a la Tierra es preciso medir alguna de sus componentes. Resulta más
fácil hacerlo con la horizontal. Así se encuentra que varía de unos puntos a otros, siendo máxima
en las cercanías de los polos, alrededor de 7.10-5 Teslas, y mínima por el ecuador, entre 3 y 3,5.10-5
Teslas. En latitudes como las nuestras, el valor de la inducción magnética es aproximadamente 4.10-5
Teslas. La posición de los polos magnéticos varía con el tiempo y como consecuencia también lo
hace la intensidad del campo magnético. Estas variaciones, que hacen pensar en un giro del eje
magnético respecto del eje de giro de la Tierra, tienen una periodicidad de aproximadamente 1000
años y se llaman variaciones seculares. Otras modificaciones, de menor entidad, se producen
diariamente y se suponen debidas a las posiciones del sol y de la luna.
Origen del magnetismo terrestre
Aunque el núcleo de la Tierra está constituido por níquel y hierro, materiales
ferromagnéticos, la causa del magnetismo terrestre no puede buscarse en una imanación permanente
de ese núcleo. El magnetismo de los imanes permanentes es debido a que los dipolos magnéticos
que los constituyen están orientados en la misma dirección. Esta orientación desaparece por encima
de una cierta temperatura, propia de cada material, que se llama punto de Curie, que son unos
centenares de grados centígrados. Son tan altas las temperaturas en el núcleo que no cabe pensar en
una imanación permanente.
El núcleo está en estado líquido, al menos su parte externa, debido a las altas temperaturas.
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FÍSICA 2º BACHILLERATO Pág. 21
Se supone que en esa masa metálica fundida se producen corrientes de convección debidas a las
diferencias de temperatura entre la parte externa del núcleo y la interna. Estas corrientes producen
a su vez unas corrientes eléctricas que son las que originan el campo magnético. El núcleo sólido
interno gira más despacio que el núcleo exterior, explicándose así el traslado secular hacia el Oeste.
La superficie irregular del núcleo exterior puede ayudar a explicar algunos de los cambios más
irregulares en el campo.
Paleomagnetismo
Se pueden conocer cosas acerca de las modificaciones que ha experimentado el campo
magnético terrestre en épocas antiguas. En ciertas rocas existen granos de minerales magnéticos
como la magnetita. Cuando se forman esas rocas, desde un estado de fusión, a alta temperatura, los
dipolos magnéticos de esos granos están desordenado, dirigidos al azar. Cuando se enfrían
lentamente al llegar por debajo de la temperatura de Curie se orientan en la dirección que en esos
momentos tenga el campo magnético terrestre y ya no cambian su orientación, a no ser que se
calienten por encima de dicha temperatura. Constituyen, pues, unos indicadores de la dirección que
en el momento de su formación tenía el campo magnético de la Tierra. Como hay procedimientos
para datar la época en que se formaron las rocas, tenemos una información de las diferentes
direcciones en que ha apuntado el campo magnético. Así sabemos que, incluso, ha habido cambios
en la polaridad de los polos.
Magnetosfera
A no muy larga distancia de la Tierra el campo magnético puede considerarse debido sólo a la propia
Tierra. A mayores distancias empieza a tener relevancia el efecto producido por el viento solar ,
flujo de partículas cargadas emitidas por el sol, que interaccionan con el campo magnético terrestre,
haciendo que las líneas de fuerza se compriman en la cara que da al sol y se expandan en la opuesta.
Así la magnetosfera, zona en la que se extiende el campo magnético terrestre, alcanza unos 12
radios terrestres en la zona situada frente al sol y unos 60 en la opuesta. Estos límites constituyen
la magnetopausa y constituye en la zona situada frente al sol un escudo magnético frente a las
partículas del viento solar.
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