Magnetismo y Electromagnetismo

Física – 4° Año – ITCO-2015 Prof.: Lic. Alberto Burianek
Versión 1.4
Unidad Didáctica
Magnetismo y Electromagnetismo
MAGNETISMO (I)
Las fuerzas características de los imanes se denominan fuerzas magnéticas. El desarrollo de la física
amplió el tipo de objetos que sufren y ejercen fuerzas magnéticas. Las corrientes eléctricas y, en
general, las cargas en movimiento se comportan como imanes, es decir, producen campos
magnéticos. Siendo las cargas móviles las últimas en llegar al panorama del magnetismo han
permitido, sin embargo, explicar el comportamiento de los imanes, esos primeros objetos magnéticos
conocidos desde la antigüedad.
El término magnetismo tiene su origen en el nombre que en la época de los filósofos griegos recibía
una región del Asia Menor, entonces denominada Magnesia; en ella abundaba una piedra negra o
piedra imán capaz de atraer objetos de hierro y de comunicarles por contacto un poder similar. A
pesar de que ya en el siglo VI a. de C. se conocía un cierto número de fenómenos magnéticos, el
magnetismo como disciplina no comienza a desarrollarse hasta más de veinte siglos después, cuando
la experimentación se convierte en una herramienta esencial para el desarrollo del conocimiento
científico. Gilbert (1544-1603), Ampere (1775-1836), Oersted (1777-1851), Faraday (1791-1867) y
Maxwell (1831-1879), investigaron sobre las características de los fenómenos magnéticos, aportando
una descripción en forma de leyes.
Los fenómenos magnéticos habían permanecido durante mucho tiempo en la historia de la ciencia
como independientes de los eléctricos. Pero el avance de la electricidad por un lado y del magnetismo
por otro, preparó la síntesis de ambas partes de la física en una sola, el electromagnetismo, que
reúne las relaciones mutuas existentes entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas.
Maxwell fue el científico que cerró ese sistema de relaciones al elaborar su teoría electromagnética.
El magnetismo de los imanes
El estudio del comportamiento de los imanes pone de manifiesto la existencia en cualquier imán de
dos zonas extremas o polos en donde la acción magnética es más intensa. Los polos magnéticos de
un imán no son equivalentes, como lo prueba el hecho de que enfrentando dos imanes idénticos se
observen atracciones o repulsiones mutuas según se aproxime el primero al segundo por uno o por
otro polo.
Para distinguir los dos polos de un imán recto se les denomina polo norte y polo sur. Esta referencia
geográfica está relacionada con el hecho de que la Tierra se comporte como un gran imán. Las
experiencias con brújulas indican que los polos del imán terrestre se encuentran próximos a los polos
Sur y Norte geográficos respectivamente. Por tal motivo, el polo de la brújula que se orienta
aproximadamente hacia el Norte terrestre se denomina polo Norte y el opuesto constituye el polo
Sur. Tal distinción entre polos magnéticos se puede extender a cualquier tipo de imanes.
Las experiencias con imanes ponen de manifiesto que polos del mismo tipo (N-N y S-S) se repelen y
polos de distinto tipo (N-S y S-N) se atraen. Esta característica del magnetismo de los imanes fue
explicada por los antiguos como la consecuencia de una propiedad más general de la naturaleza
consistente en lo que ellos llamaron la « atracción de los opuestos ».
Otra propiedad característica del comportamiento de los imanes consiste en la imposibilidad de aislar
sus polos magnéticos. Así, si se corta un imán recto en dos mitades se reproducen otros dos imanes
con sus respectivos polos norte y sur. Y lo mismo sucederá si se repite el procedimiento nuevamente
con cada uno de ellos. No es posible, entonces, obtener un imán con un solo polo magnético
semejante a un cuerpo cargado con electricidad de un solo signo. Dicha experiencia fue efectuada
por primera vez por Peregrinus, sabio francés que vivió sobre 1270 y a quien se debe el
perfeccionamiento de la brújula, así como una importante aportación al estudio de los imanes.
Características de las fuerzas magnéticas
A diferencia de lo que sucede con una barra de ámbar electrizada por frotamiento -la cual atrae hacia
sí todo tipo de objetos con la condición de que sean ligeros-, un imán ordinario sólo ejerce fuerzas
magnéticas sobre cierto tipo de materiales, en particular sobre el hierro. Este fue uno de los
obstáculos que impidieron una aproximación más temprana entre el estudio de la electricidad y el
del magnetismo. Las fuerzas magnéticas son fuerzas de acción a distancia, es decir, se producen sin
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que exista contacto físico entre los dos imanes. Esta circunstancia, que excitó la imaginación de los
filósofos antiguos por su difícil explicación, contribuyó más adelante al desarrollo del concepto de
campo de fuerzas.
Experiencias con imanes y dinamómetros permiten sostener que la intensidad de la fuerza magnética
de interacción entre imanes disminuye con el cuadrado de la distancia. Representando por Fm la
fuerza magnética, por r la distancia y por F1 ® 2 = μ .I1,I2.L/2.π.r el símbolo de la proporcionalidad
directa, tal propiedad se expresa en la forma:
Fm = 1/r²
Espectros magnéticos
Cuando se espolvorea en una cartulina o en una lámina de vidrio, situadas sobre un imán, limaduras
de hierro, éstas se orientan de un modo regular a lo largo de líneas que unen entre sí los dos polos
del imán. Lo que sucede es que cada limadura se comporta como una pequeña brújula que se orienta
en cada punto como consecuencia de las fuerzas magnéticas que soporta. La imagen que forma este
conjunto de limaduras alineadas constituye el espectro magnético del imán.
El espectro magnético de un imán permite no sólo distinguir con claridad los polos magnéticos, sino
que además proporciona una representación de la influencia magnética del imán en el espacio que
le rodea. Así una pareja de imanes enfrentados por sus polos de igual tipo dará lugar a un espectro
magnético diferente al que se obtiene cuando se colocan de modo que sean los polos opuestos los
más próximos. Esta imagen física de la influencia de los imanes sobre el espacio que les rodea hace
posible una aproximación relativamente directa a la idea de campo magnético.
El campo magnético
El hecho de que las fuerzas magnéticas sean fuerzas de acción a distancia permite recurrir a la idea
física de campo para describir la influencia de un imán o de un conjunto de imanes sobre el espacio
que les rodea. Al igual que en el caso del campo eléctrico, se recurre a la noción de líneas de fuerza
para representar la estructura del campo. En cada punto las líneas de fuerza del campo magnético
indican la dirección en la que se orientará una pequeña brújula (considerada como un elemento de
prueba) situada en tal punto. Así las limaduras de hierro espolvoreadas sobre un imán se orientan a
lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético correspondiente y el espectro magnético
resultante proporciona una representación espacial del campo. Por convenio se admite que las líneas
de fuerza salen del polo Norte y se dirigen al polo Sur.
La intensidad del campo magnético
Como sucede en otros campos de fuerza, el campo magnético queda definido matemáticamente si
se conoce el valor que toma en cada punto una magnitud vectorial que recibe el nombre de
intensidad de campo. La intensidad del campo magnético, a veces denominada inducción magnética,
se representa por la letra B y es un vector tal que en cada punto coincide en dirección y sentido con
los de la línea de fuerza magnética correspondiente. Las brújulas, al alinearse a lo largo de las líneas
de fuerza del campo magnético, indican la dirección y el sentido de la intensidad del campo B.
La obtención de una expresión para B se deriva de la observación experimental de lo que le sucede
a una carga q en movimiento en presencia de un campo magnético. Si la carga estuviera en reposo
no se apreciaría ninguna fuerza mutua; sin embargo, si la carga q se mueve dentro del campo creado
por un imán se observa cómo su trayectoria se curva, lo cual indica que una fuerza magnética F m se
está ejerciendo sobre ella. Del estudio experimental de este fenómeno se deduce que:
a) Fm es tanto mayor cuanto mayor es la magnitud de la carga q y su sentido depende del signo de
la carga.
b) Fm es tanto mayor cuanto mayor es la velocidad v de la carga q.
c) Fm se hace máxima cuando la carga se mueve en una dirección perpendicular a las líneas de fuerza
y resulta nula cuando se mueve paralelamente a ella.
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d) La dirección de la fuerza magnética en un punto resulta perpendicular al plano definido por las
líneas de fuerza a nivel de ese punto y por la dirección del movimiento de la carga q, o lo que es lo
mismo, Fm es perpendicular al plano formado por los vectores B y v.
Las conclusiones experimentales a,b y e quedan resumidas en la expresión:
Fm = q.v.B.sen φ
(11.1)
donde B representa el módulo o magnitud de la intensidad del campo y φ el ángulo que forman los
vectores v y B. Dado que Fm, v y B pueden ser considerados como vectores, es necesario además
reunir en una regla lo relativo a la relación entre sus direcciones y sentidos: el vector F m es
perpendicular al plano formado por los vectores v y B y su sentido coincide con el de avance de un
tornillo que se hiciera girar en el sentido que va de v a B (por el camino más corto). Dicha regla,
llamada del tornillo de Maxwell, es equivalente a la de la mano izquierda, según la cual las direcciones
y sentidos de los vectores Fm,v y B vienen dados por los dedos pulgar, índice y corazón de la mano
izquierda dispuestos en la forma que se muestra en la figura adjunta.
La ecuación (11.1) constituye una definición indirecta del módulo o magnitud de la intensidad del
campo magnético, dado que a partir de ella se tiene:
B = Fm/q.v.sen φ
(11.2)
La dirección de B es precisamente aquélla en la que debería desplazarse q para que Fm fuera nula;
es decir, la de las líneas de fuerza. La unidad del campo magnético en el SI es el tesla (T) y representa
la intensidad que ha de tener un campo magnético para que una carga de 1 C, moviéndose en su
interior a una velocidad de 1 m/s perpendicularmente a la dirección del campo, experimentase una
fuerza magnética de 1 newton.
1 T = 1 N/1 C. 1 m/s
Aunque no pertenece al SI, con cierta frecuencia se emplea el gauss (G): 1 T = 10 4 G
El movimiento de partículas en un campo magnético
Los campos eléctricos y magnéticos desvían ambos las trayectorias de las cargas en movimiento,
pero lo hacen de modos diferentes. Una partícula cargada que se mueve en un campo eléctrico
(como el producido entre las dos placas de un condensador plano dispuesto horizontalmente) sufre
una fuerza eléctrica Fe en la misma dirección del campo E que curva su trayectoria. Si la partícula
alcanza el espacio comprendido entre las dos placas según una dirección paralela, se desviará hacia
la placa + si su carga es negativa y hacia la - en caso contrario, pero siempre en un plano vertical,
es decir, perpendicular a ambas placas. Dicho plano es el definido por los vectores v y E.
Si las dos placas del condensador se sustituyen por los dos polos de un imán de herradura, la partícula
sufre una fuerza magnética Fm que según la regla de la mano izquierda es perpendicular a los
vectores v y B. En este caso la trayectoria de la partícula cargada se desvía en el plano horizontal.
Campos magnéticos – El experimento de Oersted
Aun cuando los filósofos griegos presintieron que las fuerzas eléctricas y las magnéticas tenían un
origen común, la experimentación desarrollada desde William Gilbert (1544-1603) en torno a este
tipo de fenómenos no reveló ningún resultado que indicara que un cuerpo cargado en reposo es
atraído o repelido por un imán. A pesar de su similitud, los fenómenos eléctricos parecían
independientes de los fenómenos magnéticos. Esta era la opinión de los colegas de Oersted (17771851) y probablemente la suya propia hasta que un día de 1819, al finalizar una clase práctica en la
Universidad de Copenhague, fue protagonista de un descubrimiento que lo haría famoso. Al acercar
una aguja imantada a un hilo de platino por el que circulaba corriente advirtió, perplejo, que la aguja
efectuaba una gran oscilación hasta situarse inmediatamente perpendicular al hilo. Al invertir el
sentido de la corriente, la aguja invirtió también su orientación.
Este experimento, considerado por algunos como fortuito y por otros como intencionado, constituyó
la primera demostración de la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. Aunque las
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cargas eléctricas en reposo carecen de efectos magnéticos, las corrientes eléctricas, es decir, las
cargas en movimiento, crean campos magnéticos y se comportan, por lo tanto, como imanes.
Campo magnético debido a una corriente rectilínea
La repetición de la experiencia de Hans Christian Oersted con la ayuda de limaduras de hierro
dispuestas sobre una cartulina perpendicular al hilo conductor rectilíneo, pone de manifiesto una
estructura de líneas de fuerza del campo magnético resultante, formando circunferencias
concéntricas que rodean al hilo. Su sentido puede relacionarse con el convencional de la corriente
sustituyendo las limaduras por pequeñas brújulas. En tal caso se observa que el polo norte de cada
brújula -que apunta siempre en el sentido del vector intensidad de campo B - se corresponde con la
indicación de los dedos restantes de la mano derecha semicerrada en torno a la corriente, cuando el
pulgar apunta en el sentido de dicha corriente. Esta es la regla de la mano derecha que aparece
representada en la figura adjunta y que permite relacionar el sentido de una corriente rectilínea con
el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético B creado por ella. Experiencias más detalladas
indican que la intensidad del campo B depende de las características del medio que rodea a la
corriente rectilínea, siendo tanto mayor cuanto mayor es la intensidad de corriente I y cuanto menor
es la distancia r al hilo conductor. Todo lo cual queda englobado en la ecuación:
𝐼
𝐵 = 𝜇. . 𝑛. 𝑟
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μ representa una constante característica del medio que recibe el nombre de permeabilidad
magnética. En el vacío su valor es μ 0 = 4.π.10-7 T m/A.
Campo magnético debido a una espira circular
El estudio del espectro magnético debido a una corriente circular, completado con la información que
sobre el sentido del campo creado ofrecen pequeñas brújulas, indica que las líneas de fuerza del
campo se cierran en torno a cada porción de la espira como si ésta consistiera en la reunión de
pequeños tramos rectilíneos. En conjunto, el espectro magnético resultante se parece mucho al de
un imán recto con sus polos norte y sur. La cara norte de una corriente circular, considerada como
un imán, es aquella de donde salen las líneas de fuerza y la cara sur aquella otra a donde llegan
dichas líneas.
La relación entre la polaridad magnética de una espira y el sentido de la corriente que circula por
ella la establece la regla de la mano derecha de la que se deriva esta otra: una cara es norte cuando
un observador situado frente a ella ve circular la corriente (convencional) de derecha a izquierda y
es sur en el caso contrario. La experimentación sobre los factores que influyen en el valor de la
intensidad de campo B en el interior de la espira muestra que éste depende de las propiedades del
medio que rodea la espira (reflejadas en su permeabilidad magnética μ), de la intensidad de corriente
I y del valor del radio R de la espira, en la forma dada por la siguiente ecuación:
𝐵 = 𝜇. 𝐼/2. 𝑅
Campo magnético debido a un solenoide
Un solenoide es, en esencia, un conjunto de espiras iguales y paralelas dispuestas a lo largo de una
determinada longitud que son recorridas por la misma intensidad de corriente. Su forma es semejante
a la del alambre espiral de un bloc. El espectro magnético del campo creado por un solenoide se
parece más aún al de un imán recto que el debido a una sola espira. La regla que permite relacionar
la polaridad magnética del solenoide como imán con el sentido convencional de la corriente que
circula por él es la misma que la aplicada en el caso de una sola espira. El estudio experimental de
la intensidad del campo magnético B debido a un solenoide en un punto cualquiera de su interior
pone de manifiesto que una mayor proximidad entre las espiras produce un campo magnético más
intenso, lo cual se refleja en la expresión de B a través del cociente N/L, siendo N el número de
espiras y L la longitud del solenoide. Dicha expresión viene dada por la ecuación:
𝐵 = 𝜇. 𝐼. 𝑁/𝐿
N/L: representa el número de espiras por unidad de longitud, siendo su valor tanto mayor cuanto
más apretadas están las espiras en el solenoide.
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El hecho de que B dependa del valor de μ, y por tanto de las características del medio, sugiere la
posibilidad de introducir en el interior del solenoide una barra de material de elevado y conseguir así
un campo magnético más intenso con la misma intensidad de corriente I. Este es precisamente el
fundamento del electroimán, en el cual una barra de hierro introducida en el hueco del solenoide
aumenta la intensidad del campo magnético varios miles de veces con respecto al valor que tendría
en ausencia de tal material. Los timbres, los teléfonos, las dinamos y muchos otros dispositivos
eléctricos y electromecánicos utilizan electroimanes como componentes. Sus características de
imanes temporales, que actúan sólo en presencia de corriente, amplía el número de sus posibles
aplicaciones.
Ejemplo de campo magnético debido a corrientes eléctricas: Se trata de calcular la intensidad
del campo magnético B creado por una corriente de 4 A de intensidad en cada uno de los siguientes
casos: a) a 4 cm de un hilo conductor rectilíneo e indefinido; b) en el centro de una bobina formada
por 20 espiras circulares de 10 cm de diámetro; c) en cualquier punto del interior de un solenoide
de 2 cm de diámetro y de longitud indefinida que posee 40 espiras por cada centímetro de longitud
(Tómese μ 0 = 4.π.107 T m/A).
a) El campo magnético B debido a una corriente rectilínea indefinida en un punto que dista r de dicha
corriente, viene dado por la expresión
B = μ 0.l/2.π.r
Sustituyendo los datos del enunciado y recordando que todas las magnitudes se han de expresar en
unidades SI, resulta:
B = 4.π.107 T.(m/A).4 A/2.π.4.10 ² m = 2.105 T
b) El campo B debido a una bobina formada por N espiras de igual radio R en su centro geométrico
será igual a N veces el campo debido a una sola, es decir:
B = μ 0.l.N/2.R = 20.4.π.107 T.(m/A).4 A/10.10 ² m = 3,2.π.104 T
c) En cualquier punto del interior de un solenoide el campo magnético es homogéneo, es decir, toma
el mismo valor B = μ 0.I.N/l. Aun cuando no se conozca la longitud, para calcular B basta conocer el
número de espiras por unidad de longitud, que en este caso es N/l =4.10 ² espiras/m. sustituyendo,
resulta:
B = 4.π.107.4.40.10 ² = 6,4.π.10³ T
MAGNETISMO (II)
Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo
electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que
aúna ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética. La manifestación más conocida del
magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como
el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo.
Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura
atómica de la materia.
Teoría electromagnética
Hans Christian Oersted descubrió que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente
eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue
desarrollado por Ampere, que estudió las fuerzas entre cables por los que circulan corrientes
eléctricas, y por Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable recorrido
por una corriente. Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable
induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted
demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético, mientras que Faraday demostró que
puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica. La unificación de las teorías
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de la electricidad y el magnetismo se debió a Maxwell, que predijo la existencia de ondas
electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético.
Los estudios posteriores se centraron en la comprensión del origen atómico y molecular de las
propiedades magnéticas de la materia. Langevin desarrolló una teoría sobre la variación con la
temperatura de las propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas, basada en la
estructura atómica de la materia. Esta teoría es un ejemplo de la descripción de propiedades
macroscópicas a partir de las propiedades de los electrones y los átomos. La teoría de Langevin fue
ampliada por Pierre Ernest Weiss, que postuló la existencia de un campo magnético interno,
molecular, en los materiales como el hierro. Este concepto, combinado con la teoría de Langevin,
sirvió para explicar las propiedades de los materiales como la piedra imán.
La teoría de Neils Bohr sobre la estructura atómica, hizo que se comprendiera la tabla periódica y
mostró por qué el magnetismo aparece en los elementos de transición como el hierro o los lantánidos
o en compuestos que incluyen estos elementos. Samuel Abraham Goudsmit y Uhlenbeck
demostraron que los electrones tienen espín y se comportan como pequeños imanes con un
momento magnético definido.
El momento magnético de un objeto es una cantidad vectorial que expresa la intensidad y orientación
del campo magnético del objeto. Werner Karl Heisenberg dio una explicación detallada del campo
molecular de Weiss basada en la mecánica cuántica.
El campo magnético
Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales
magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un campo magnético.
Los campos magnéticos suelen representarse mediante líneas de flujo magnético. En cualquier punto,
la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de flujo, y la intensidad del
campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas de flujo .
En el caso de una barra imantada, las líneas de flujo salen de un extremo y se curvan para llegar al
otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro
del imán y otra fuera.
En los extremos del imán, donde las líneas de flujo están más próximas, el campo magnético es más
intenso; en los lados del imán, donde las líneas de flujo están más separadas, el campo magnético
es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes
esquemas de líneas de flujo. La estructura de las líneas de flujo creadas por un imán o por cualquier
objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de
hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de flujo magnético. Por tanto, una
brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las
líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la
fuente del campo magnético, puede deducirse el esquema de líneas de flujo. Igualmente, si se agitan
limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un
campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo las líneas de flujo y permiten así visualizar su
estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las partículas cargadas en
movimiento. En términos generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo
magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con
la dirección del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se
mueven en trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias
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de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de partículas o los espectrógrafos de
masas.
Brújula
Instrumento que indica el rumbo, empleado por marinos, pilotos, cazadores, excursionistas y viajeros
para orientarse. Hay dos tipos fundamentales de brújula: la brújula magnética y el girocompás o
brújula giroscópica.
Brújula magnética
En su forma más sencilla este tipo de brújula está formado por una aguja magnetizada montada en
un pivote situado en el centro de un círculo graduado fijo (denominado rosa de los vientos) de modo
que la aguja pueda oscilar libremente en el plano horizontal. En la brújula magnética el rumbo se
determina a partir de una o varias agujas magnetizadas que señalan al polo norte magnético bajo la
influencia del campo magnético terrestre. El compás náutico, una brújula magnética utilizada en la
navegación, tiene varios haces de agujas magnetizadas paralelas fijados a la parte inferior de la rosa
que pivota sobre su centro en un recipiente de bronce cubierto de vidrio. El recipiente está montado
en un balancín, por lo que la rosa mantiene una posición horizontal a pesar del balanceo y cabeceo
del barco.
En el compás líquido, el más estable de los compases náuticos, el recipiente está lleno de líquido,
una mezcla de alcohol y agua. El líquido ayuda a sostener la rosa, que en este tipo de brújula pivota
sobre su centro y flota en el líquido, con lo que se reduce la fricción en el pivote y se amortiguan las
vibraciones de la rosa causadas por el movimiento del buque. Estas ventajas hacen que el compás
líquido se emplee más que el compás seco. En ambos tipos hay trazada una línea negra vertical,
conocida como línea de fe, en la superficie interior del recipiente, orientada según la proa del barco.
El rumbo del buque se obtiene leyendo los grados que marca la rosa frente a la línea de fe. La brújula
magnética sólo apunta al norte magnético si el barco está libre de magnetismo y si no hay objetos
grandes de hierro o acero en las proximidades. Si el barco está magnetizado o la aguja se ve afectada
por objetos de hierro o acero, se produce el error conocido como desviación. Para corregir la
desviación la brújula se instala en un soporte denominado bitácora de compensación, equipado con
un sistema de imanes que compensan las influencias perturbadoras.
Para obtener el norte verdadero en una brújula magnética también hay que efectuar las correcciones
debidas a la declinación magnética (el ángulo formado entre el meridiano magnético y el meridiano
verdadero). Este ángulo (también llamado variación magnética) puede ser positivo o negativo, y
varía con la posición geográfica y en cierta medida con el tiempo. Se han determinado la magnitud,
el signo y el cambio anual de la declinación de la mayoría de los lugares de la superficie terrestre, y
estos datos están registrados en todas las cartas náuticas. Las tormentas magnéticas provocan
cambios transitorios e impredecibles de la declinación, sobre todo en las latitudes más elevadas.
El compás náutico convencional resulta poco fiable en las aeronaves debido a los errores introducidos
por los giros y aceleraciones bruscas del avión. Para eliminar estos errores, los compases
aeronáuticos tienen un diseño especial, con unidades direccionales magnéticas estabilizadas respecto
al movimiento del avión mediante péndulos o giróscopos.
Girocompás
Este dispositivo, dotado de uno o más giróscopos, se emplea para la navegación de todos los buques
de cierto tamaño. El girocompás, que no resulta afectado por el magnetismo terrestre, consiste en
un giróscopo cuyo rotor gira alrededor de un eje confinado al plano horizontal de forma que dicho
eje se alinea con la línea Norte-Sur paralela al eje de rotación terrestre, con lo que indica el norte
verdadero, sin estar sometido a los errores inherentes de desviación y declinación que afectan a la
brújula magnética. Los girocompases cuentan con dispositivos de corrección para compensar la
deriva hacia el Este debida al movimiento de la Tierra y los errores de velocidad y rumbo. En la
mayoría de los barcos oceánicos, el girocompás está conectado eléctricamente con un piloto
automático, un dispositivo que dirige el timón del barco de forma automática y mantiene su rumbo
de acuerdo a las señales del girocompás.
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Tipos de materiales magnéticos
Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican siguiendo distintos criterios. Una de las
clasificaciones de los materiales magnéticos (diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos) se
basa en la reacción del material ante un campo magnético. Cuando se coloca un material
diamagnético en un campo magnético, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto
al campo magnético. En la actualidad se sabe que esta propiedad se debe a las corrientes eléctricas
inducidas en los átomos y moléculas individuales. Estas corrientes producen momentos magnéticos
opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son diamagnéticos; los que presentan un
diamagnetismo más intenso son el bismuto metálico y las moléculas orgánicas que, como el benceno,
tienen una estructura cíclica, que permite que las corrientes eléctricas se establezcan con facilidad.
El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo magnético aplicado alinea todos los
momentos magnéticos ya existentes en los átomos o moléculas individuales que componen el
material. Esto produce un momento magnético global que se suma al campo magnético. Los
materiales paramagnéticos suelen contener metales de transición o lantánidos con electrones no
emparejados. El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse por una
dependencia de la temperatura: la intensidad del momento magnético inducido varía inversamente
con la temperatura. Esto se debe a que al aumentar la temperatura, cada vez resulta más difícil
alinear los momentos magnéticos de los átomos individuales en la dirección del campo magnético.
Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro, mantienen un momento magnético
incluso cuando el campo magnético externo se hace nulo. Este efecto se debe a una fuerte
interacción entre los momentos magnéticos de los átomos o electrones individuales de la sustancia
magnética, que los hace alinearse de forma paralela entre sí. En circunstancias normales, los
materiales ferromagnéticos están divididos en regiones llamadas dominios; en cada dominio, los
momentos atómicos están alineados en paralelo. Los momentos de dominios diferentes no apuntan
necesariamente en la misma dirección. Aunque un trozo de hierro normal puede no tener un
momento magnético total, puede inducirse su magnetización colocándolo en un campo magnético,
que alinea los momentos de todos los dominios. La energía empleada en la reorientación de los
dominios desde el estado magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase
de la respuesta al campo magnético aplicado, conocido como histéresis.
Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades magnéticas cuando se calienta. Esta
pérdida es completa por encima de la temperatura de Curie (la temperatura de Curie del hierro
metálico es de 770 °C).
Otros ordenamientos magnéticos
La mejor comprensión de los orígenes atómicos de las propiedades magnéticas ha llevado al
descubrimiento de otros tipos de ordenamiento magnético. Se conocen casos en los que los
momentos magnéticos interactúan de tal forma que les resulta energéticamente favorable alinearse
entre sí en sentido antiparalelo; estos materiales se llaman antiferromagnéticos. La temperatura por
encima de la cual desaparece el orden antiferromagnético se denomina temperatura de Néel,
También se han hallado otras configuraciones más complejas de los momentos magnéticos atómicos.
Las sustancias ferrimagnéticas tienen al menos dos clases distintas de momento magnético atómico,
orientados entre sí de forma antiparalela. Como ambos momentos tienen magnitudes diferentes,
persiste un momento magnético neto, al contrario que en un material antiferromagnético, donde
todos los momentos magnéticos se anulan mutuamente. Curiosamente, la piedra imán es
ferrimagnética, y no ferromagnética; en este mineral existen dos tipos de ion hierro, con momentos
magnéticos diferentes. Se han encontrado disposiciones aún más complejas, en las que los
momentos magnéticos están ordenados en espiral. Los estudios de estos ordenamientos han
proporcionado mucha información sobre las interacciones entre los momentos magnéticos en sólidos.
Aplicaciones
El electroimán es la base del motor eléctrico y el transformador. El desarrollo de nuevos materiales
magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los ordenadores o computadoras. Es posible
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fabricar memorias de computadora utilizando dominios burbuja. Estos dominios son pequeñas
regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material. Según
que el sentido sea uno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en
el sistema binario empleado por los ordenadores. Los materiales magnéticos también son
componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos.
Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los imanes
superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las
partículas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas.
ELECTROMAGNETISMO
Desde la Antigüedad se conocen las propiedades de la magnetita (Fe3O4). Thales de Mileto intentó
explicar este fenómeno pero con un concepto insuficiente de la materia, incapaz de separar los
conceptos de materia y fuerza. Atribuía el magnetismo a la presencia de un alma en la piedra
imantada Sócrates (470-399 a.C.) observó que atraía objetos de hierro y les transfería propiedades
atractivas, consiguiendo suspender una ristra de anillos de un solo imán.
Leyendas chinas hablan de su uso como brújula (83 a.C.) que marca el sur y en un libro militar del
1084 se describe cómo fabricar una brújula.
Podemos definir un imán como una sustancia capaz de ejercer una atracción sobre el hierro y algunas
otras sustancias, que llamaremos sustancias férricas. La fuerza que ejercen los imanes depende de
la distancia; si separamos el imán del hierro disminuye la fuerza con que lo atrae, que aumenta
cuando lo acercamos. Los imanes pueden ser naturales o artificiales. La magnetita es un imán
natural. Algunos imanes son permanentes y otros temporales. Los primeros mantienen sus
propiedades magnéticas a lo largo del tiempo (Acero) y los segundos solo actúan como imanes en
determinadas circunstancias (Hierro dulce)
El empleo de los imanes en navegación se remonta por lo menos al siglo XI.
En 1269, Pierre de Maricourt, al dar forma esférica a un imán y aproximarle pequeñas agujas de
acero, comprobó que estas se orientaban sobre su superficie de un modo determinado en cada
punto. Al dibujar las líneas que sugerían dichas orientaciones, encontró que se cortaban en dos
puntos opuestos de la esfera, justo donde se mantenía la aguja vertical. También observó que esos
puntos se orientaban siempre al norte y al Sur. Los llamo Polo Norte y Polo Sur y comprobó que al
acercar dos polos iguales entre sí, los imanes se repelen y si son opuestos se atraen.
En 1600, William Gilbert, postuló que la Tierra actuaba como un potente imán esférico. Las brújulas
se orientaban hacia los polos magnéticos terrestres. Afirma que los trozos de imán se comportan
también como imanes, es decir, sabemos que hay cargas eléctricas aisladas, pero no existen polos
magnéticos aislados, siempre hay imanes (dipolos completos), nunca un polo norte o sur solo. Esto
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hoy en día está en discusión, pues en ciertos experimentos se han detectado monopolos magnéticos.
Esto aún necesita confirmación.
Los polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos, es decir que las brújulas no indican
con exactitud el norte geográfico. A esto se le llama declinación magnética.
La conexión entre la electricidad y el magnetismo no llegó hasta el siglo XIX de la mano de Oersted,
(1819) al observar que la corriente eléctrica circulando por un elemento conductor crea a su
alrededor un campo magnético similar al de un imán. Ampere aportó la idea de que el magnetismo
natural puede estar producido por pequeñas corrientes a nivel molecular. Faraday a partir de 1821,
empezó a desarrollar ideas sobre la teoría de campos y concluyó diciendo que campos magnéticos
variables crean campos eléctricos. Maxwell, en 1860, indicó que se podían crear campos magnéticos
a partir de campos eléctricos variables y por tanto concluyó diciendo que las interacciones eléctrica
y magnética están relacionadas y tienen que ver con la carga eléctrica.
El experimento de Oersted
En 1820, Oersted, impartiendo una clase de Física en la Universidad de Copenhague, y tratando de
explicar que era la corriente eléctrica que había descubierto Volta, acercó por casualidad una brújula
a un conductor por el que circulaba corriente y observó que la aguja imantada sufría una desviación.
A raíz de esto Oersted siguió investigando y llegó a las siguientes conclusiones:
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Cuando colocamos una brújula cerca de un conductor por el que pasa una corriente eléctrica, la
brújula se orienta perpendicularmente al conductor y deja de señalar hacia el polo norte.
Si aumentamos la intensidad de la corriente eléctrica que circula por el conductor, la brújula gira más
rápidamente hasta colocarse perpendicular a sí mismo.
Si invertimos el sentido de la corriente eléctrica. La brújula sigue orientada perpendicularmente al
conductor, pero en sentido opuesto al caso anterior.
La conclusión fue: “Una corriente eléctrica produce un campo magnético “.
A partir de los trabajos de Oersted se demostraron experimentalmente otra serie de fenómenos:
Ampere comprobó que al situar dos conductores paralelos por los que circulan corrientes de
intensidades grandes aparecen fuerzas entre ellos, que son de atracción si las corrientes tienen el
mismo sentido y de repulsión si las corrientes tienen sentido contrario.
Si deja de haber corriente desaparecen las fuerzas.
Entre dos conductores circulares (espiras) paralelos, recorridos por sendas corrientes, se producen
fuerzas de atracción, si las corrientes tienen el mismo sentido, y de repulsión si tienen sentido
contrario.
Biot y Savart formularon el campo magnético producido por una corriente cualquiera
Faraday realizó el siguiente experimento. Tomó una espira metálica con un galvanómetro. Al
aproximar un imán a la espira metálica se observa que la aguja del galvanómetro se mueve. Si
dejamos quieto el imán la aguja del galvanómetro se va a 0. Si sacamos el imán la aguja del
galvanómetro se mueve en sentido contrario, y si se separa mucho vuelve al cero. Por tanto se llega
a la conclusión de que “un campo magnético en movimiento produce una corriente eléctrica“.
Maxwell constató el efecto contrario, un campo eléctrico genera un campo magnético.
Por tanto podemos concluir:


Los imanes y las corrientes eléctricas generan un campo magnético.
Los campos magnéticos en movimiento producen corriente eléctrica.
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Ley de Lenz
"El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce".
La Ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la
variación del flujo magnético que las produjo; no obstante esta ley es una consecuencia del principio
de conservación de la energía.
La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo
magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.
El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:
Donde:




= Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb).
= Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T).
= Superficie del conductor.
= Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.
Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:
En este caso la Ley de Faraday afirma que la Vε inducido en cada instante tiene por valor:

Vε
Donde Vε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La
dirección voltaje inducido (el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.
Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año
1834.
Autoinducción
La autoinducción es una corriente inducida que se produce en una bobina conductora debido a sus
propias variaciones de flujo de campo magnético.
Si en un circuito la corriente eléctrica varía con el tiempo, también variará el flujo del campo
magnético por ella generado. Esta variación del flujo se traduce en la aparición de una fuerza
electromotriz de autoinducción, que tiende a oponerse a la causa que la produce, es decir, a la
variación del flujo a través del propio circuito. La fuerza electromotriz autoinducida es proporcional
al coeficiente de autoinducción, L, y a la velocidad de variación de la corriente en un instante dado,
y su sentido será el mismo que el de la corriente variable en el circuito si la intensidad disminuye
(apertura del circuito), o contrario al de aquella si la intensidad aumenta (cierre del circuito). El
coeficiente de autoinducción representa la fuerza electromotriz autoinducida en un circuito cuando la
corriente varía un amperio en un segundo, y su valor depende de las características geométricas de
la bobina. Su unidad es el henrio (H).
Inducción (electricidad), generación de una corriente eléctrica en un conductor en movimiento en el
interior de un campo magnético (de aquí el nombre completo, inducción electromagnética). El efecto
fue descubierto por el físico británico Michael Faraday y condujo directamente al desarrollo del
generador eléctrico rotatorio, que convierte el movimiento mecánico en energía eléctrica.
Cuando un conductor, como por ejemplo un cable metálico, se mueve a través del espacio libre entre
los dos polos de un imán, los electrones del cable, con carga negativa, experimentan una fuerza a lo
largo de él y se acumulan en uno de sus extremos, dejando en el otro extremo núcleos atómicos con
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carga positiva, parcialmente despojados de electrones. Esto crea una diferencia de potencial, o
voltaje, entre los dos extremos del cable; si estos extremos se conectan con un conductor, fluirá una
corriente alrededor del circuito. Éste es el principio que da base a los generadores eléctricos
rotatorios, en los que un bucle de hilo conductor gira dentro de un campo magnético para producir
un voltaje y generar una corriente en un circuito cerrado. [Se puede ampliar esta información viendo
Motores y Generadores Eléctricos]. La inducción ocurre solamente cuando el conductor se mueve en
ángulo recto con respecto a la dirección del campo magnético. Este movimiento es necesario para
que se produzca la inducción, pero es un movimiento relativo entre el conductor y el campo
magnético. De esta forma, un campo magnético en expansión y compresión puede crearse con una
corriente a través de un cable o un electroimán. Dado que la corriente del electroimán aumenta y se
reduce, su campo magnético se expande y se comprime (las líneas de fuerza se mueven hacia
adelante y hacia atrás). El campo en movimiento puede inducir una corriente en un hilo fijo cercano.
Esta inducción sin movimiento mecánico es la base de los transformadores eléctricos. Un
transformador consta normalmente de dos bobinas de hilo conductor adyacentes, enrolladas
alrededor de un solo núcleo de material magnético. Se utiliza para acoplar dos o más circuitos de
corriente alterna empleando la inducción existente entre las bobinas. [Se puede ampliar esta
información viendo Generación y Transporte de Electricidad]. Cuando varía la corriente de un
conductor, el campo magnético resultante varía a lo ancho del propio conductor e induce en él un
voltaje. Este voltaje autoinducido se opone al voltaje aplicado y tiende a limitar o invertir el voltaje
original. La autoinducción eléctrica es, por lo tanto, análoga a la inercia mecánica. Una bobina de
inductancia, o estrangulador, tiende a suavizar la corriente variante, de la misma forma que un
volante suaviza la rotación de un motor. La cantidad de autoinducción de una bobina, su inductancia,
se mide por una unidad eléctrica denominada henrio, en honor al físico estadounidense Joseph Henry,
quien descubrió el efecto. La autoinductancia es independiente del voltaje o la intensidad de
corriente. Está determinada por la geometría de la bobina y las propiedades magnéticas del núcleo.
Inducción mutua
Con frecuencia el flujo a través de un circuito varía con el tiempo como consecuencia de las corrientes
variables que existen en circuitos cercanos. Se produce una fem (fuerza electromotriz) inducida
mediante un proceso que se denomina inducción mutua.
Para ilustrar este hecho, supongamos que tenemos dos circuitos acoplados formados por una espira
y un solenoide, tal como se muestra en la figura.
Desde un circuito con una pila, una bobina y un reóstato, puede iluminarse una bombilla de otro
circuito próximo QUE NO TIENE NINGUNA PILA. El fenómeno se denomina inducción mutua.
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Efecto motor y generador
El efecto motor es un efecto electromagnético que actualmente es de gran importancia, porque en
él se basa el funcionamiento de muchos dispositivos útiles al hombre.
Sabemos que de acuerdo con el experimento de Oersted, toda corriente eléctrica crea un campo
magnético a su alrededor que se encuentra a su alrededor, que se encuentra en presencia de otro
campo, interactúa con él, manifestándose tal interacción mediante una fuerza en esta práctica,
observaremos el fenómeno llamado efecto motor consistente en que un conductor con corriente
eléctrico colocado dentro de un campo magnético, experimenta la acción de una fuerza; este
fenómeno, que fue descubierto por Michael Faraday en 1821, constituye otro ejemplo de interacción
de campos magnéticos: de hecho la corriente que circula por un conductor es un conjunto de cargas
eléctricas en movimiento y sobre cada una se ejerce una fuerza.
La fuerza observada en el alambre seria la resultante de un gran número de pequeñísimas fuerzas
actuando sobre las cargas móviles.
Entonces el sentido de la fuerza sobre el conductor también puede terminaras de con la regla de la
mano izquierda en la que el dedo medio apuntaría en el sentido de la circulación de la corriente
eléctrica que sería el del movimiento de las cargas en movimiento del extremo + al extremo-.
Para el sentido real de la corriente, la regla se aplicaría con la mano derecha.
Un motor eléctrico es un aparato que, basado en el fenómeno anterior, transforma la energía eléctrica
que se le suministra en energía mecánica.
Un transformador eléctrico básicamente está constituido por una bobina de espiras rectangulares
devanadas sobre un rotor de material ferromagnético, el que a su vez va montado sobre un eje que
le permite girar libremente.
El rotor se encuentra dentro de un campo magnético que puede ser creado por un imán permanente,
o por un electroimán alimentando con la misma corriente del embobinado del rotor.
La interacción de los dos campos magnéticos crea sobre cada espira del rotor un par de fuerza que
lo hace girar.
En un motor eléctrico el sentido de giro del rotor dependerá del sentido del campo magnético y del
sentido de circulación de la corriente en el embobinado; invirtiendo cualquiera de ellos, se invierte el
sentido de giro.
La rapidez con que gira el rotor dependerá de la intensidad de campo magnético principal, la
intensidad de la corriente aplicada al embobinado del rotor, y de la longitud de sus espiras, además
del número de espiras.
Aplicaciones
5 ejemplos prácticos donde el efecto motor tiene aplicaciones:
1.
2.
3.
4.
5.
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Bombas de agua
Generadores eléctricos
Motores de licuadora
Fuentes de movimiento en procesos de producción industrial
Fuentes generadoras de movimiento dentro del sector comercial.