Las propiedades magnéticas asociadas a la materia se pueden evidenciar gracias a la acción de los imanes. En sus inicios el magnetismo se consideraba como una rama diferente a la electricidad. En 1820 el profesor Oersted comprobó que las corrientes eléctricas forman a su alrededor campos magnéticos que se comportan como si fueran imanes. Con esta verificación se integraron la electricidad y el magnetismo para formar lo que hoy se conoce como electromagnetismo.

La existencia de un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético variable, pero, también si tomamos un campo magnético variable en el tiempo genera un campo eléctrico. Es decir, que estas dos interacciones son mutuas y siempre están asociadas. Estos dos principios descritos se pueden clasificar como generadores eléctricos o como motores eléctricos, todo depende de la naturaleza de la interacción.

Objetivo general

Establecer los elementos externos al campo magnético alrededor de un conductor por el cual circula una corriente eléctrica.

Objetivos específicos

• Explicar las interacciones del campo magnético con la materia.
• Analizar la creación del campo magnético por medio de corrientes eléctricas.
• Identificar las propiedades magnéticas de la materia.
• Calcular el campo magnético para diferentes configuraciones de corriente a partir de la ley de Biot-Savart.
• Utilizar la ley de Ampere para calcular campos de distribuciones simétricas de corriente.
• Comparar la ley de Ampere con la ley de Gauss para establecer la relación entre los campos y sus respectivas fuentes.
• Interpretar la ley de Inducción de Faraday-Henry de los campos eléctricos y magnéticos.
• Interpretar el significado físico de las ecuaciones de Maxwell.

En el uso común, asociamos fuerzas magnéticas a imanes permanentes cuando atraen partículas de metal, pero en realidad, la fuerza magnética está presente donde hay un campo eléctrico.

Una carga eléctrica se caracteriza por generar un campo eléctrico a su alrededor, si una segunda carga interactúa con aquel campo, éstas se mueven produciendo un campo magnético. Es decir, el movimiento de cargas eléctricas forman un campo magnético.

Al colocar una aguja imantada (características magnéticas) sobre agua y al hacer que esta flote notamos alineación de una de sus puntas con el norte geográfico. Este hecho incentivó la idea que cargas del mismo signo se repelen y cargas de diferente signo se atraen. Esta alineación de la aguja se utiliza para determinar el polo magnético del imán. Considerando la tierra como un imán el polo norte geográfico coincide con el polo sur magnético, quiere decir que la alineación de la aguja demuestra su popularidad.

El campo magnético es una medida vectorial y se representa con la letra:

Al igual como se comportan las cargas en reposo, estas crean un campo eléctrico alrededor de ellas, una carga o un flujo de corriente también genera un campo magnético en un espacio alrededor de ellas y por tal motivo ejerce una fuerza: Sobre las demás cargas presentes en dicho espacio.

Estas dos son las principales interacciones magnéticas producidas por las cargas, las líneas de fuerzas magnéticas generadas por el polo Norte geográfico coinciden con el polo Sur magnético de un imán o brújula.

A continuación se presentan dos ejemplos del campo magnético como aplicación de lo anteriormente expuesto.

Material de apoyo

Al realizar el experimento del electroimán, que se fabrica enrollando aislamiento de cobre alrededor de una puntilla, los dos polos del alambre se conectan a la batería y convertimos esa puntilla en electroimán, base para los generadores y motores eléctricos.

Con el fin de profundizar esta interacción del campo magnético con particulas cargas y corrientes eléctricas se presenta el siguiente ejemplo de una espira rectángular.

De igual forma se presentan dos ejemplos más sobre este tema, veamos la interactividad.

Actividad de aprendizaje

Encuentra los términos más destacados del magnetismo, hasta este punto.

Material de apoyo

Ampére, Biot y Savart encontraron una serie de resultados experimentales que los llevó a obtener una relación matemática que permite calcular el valor del campo magnético producido por una corriente en cualquier punto del espacio.

La magnitud del campo magnético generado por una carga puntual en un punto P en el espacio, es directamente proporcional a la velocidad de la carga y a la componente sin Ø e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la carga al punto r. El vector de un campo magnético es perpendicular al plano y contiene el vector velocidad de la partícula y el vector posición del punto .

La expresión que representa dicha magnitud, la cual se encuentra en el anterior documento, es lo que se conoce como ley de Bio-Savart. Revísemos el siguiente ejemplo.

Esta ley plantea el cálculo del flujo magnético Φ_B a través de una superficie. En la aplicación de la ley de Gauss se puede dividir la superficie en elementos de área dA y la determinación de la componente normal del campo magnetico:

Cuando una carga se está moviendo, la fuerza magnética tiene una magnitud de F=qvB y es siempre perpendicular a la velocidad, que está cambiando su dirección pero que mantiene la magnitud constante. De esta manera, se puede aplicar las leyes de Newton en el análisis del movimiento circular uniforme.

En este orden de ideas, teniendo en cuenta cómo se puede calcular la fuerza magnética, al tomar su componente perpendicular entre la velocidad y el campo magnético esta expresión se reduce a:

F = qvB

Expresión usada para la fuerza magnética sobre conductores de corriente eléctrica.

Profundicemos un poco más en cada uno de los conceptos vistos a través de ejemplos puntuales.

La ley de faraday indica que cuando conectamos una bobina a un galvanómetro y pasamos un imán en medio de ella, la aguja del aparato de medida o galvanómetro se mueve, quiere decir que se genera una corriente en la bobina a lo que se llama corriente inducida o fem inducida, tal como se muestra en en el gráfico de esta pantalla. A continuación se presenta el siguiente video para un mayor entendimiento.

Veamos los siguientes ejemplos aplicando la ley de Faraday.

La ley de Ampere es una ley que nos permite obtener de una forma más sencilla los campos magnéticos generados por distribuciones de corriente.

La fem inducida por medio de un conductor en presencia de un campo magnético, experimenta una fuerza magnética sobre las cargas del conductor. Así mismo, la fem también está presente cuando hay un flujo cambiante a través de un conductor fijo. Para un solenoide de área de sección transversal A con n espiras por unidad de longitud, pasa una corriente i generando un campo magnético

:

Estudiemos el siguiente ejemplo sobre la magnitud de la fem inducida.

Material de apoyo

Uno de los grandes trabajos realizados por Maxwell consistió en reunir una serie de expresiones que predicen la existencia de las ondas electromagnéticas. Este trabajo se conoció como las ecuaciones de Maxwell y actualmente son cuatro expresiones que reúnen todo el análisis del electromagnetismo clásico.

Al considerar las ecuaciones de Maxwell en un espacio ideal o en el vacío, no hay corriente de conducción ni carga encerrada, por lo tanto, el valor de estas medidas es cero. Al observar estos detalles, sobresale la siguiente simetría.

Quiere decir que un campo eléctrico:

Induce un campo magnético:

y viceversa y cambian con el tiempo. Esta simetría da a entender que existen perturbaciones que no necesitan un medio para propagarse; se propagan en el vacío. A estas perturbaciones se les llama ondas electromagnéticas por estar vinculadas a la relación entre campo eléctrico y magnético cambiantes en el tiempo.

Actividad de aprendizaje

A continuación relaciona los siguientes conceptos acerca del magnetismo y las leyes implicadas en el mismo.

Material de apoyo

El campo magnético, es producido por elementos magnéticos o por cargas eléctricas en movimiento al interactuar con otra carga.

En la naturaleza no existen mono polos magnéticos; si un imán de vara se rompe por la mitad de inmediato los dos trozos también tienen sus dos polos magnéticos: Norte y Sur.

Si la velocidad de la carga y el campo magnético son paralelos entre sí, la fuerza generada es igual a cero. Ya que estas variables se relacionan como:

Estas expresiones indican un carácter vectorial de la fuerza cuyo sentido positivo o negativo, depende de la regla de la mano derecha teniendo en cuenta que está definida como el producto cruz entre la velocidad y el campo magnético.

Cuando la fuerza magnética está aplicada a una espira se genera un torque y lo podemos expresar T_max = IAB. Si el campo magnético uniforme hace un ángulo de 0< 90º con la perpendicular, la expresión es: T_max = IAB sinØ. El producto iA se le conoce como momento dipolar magnético o momento magnético y se representa: μ = IA. De esta forma el par de torsión en términos del momento magnético es: