FÍSICA II Magnetismo

FÍSICA II Magnetismo
3.3 Magnetismo
Los primeros fenómenos magnéticos observados se
relacionaron con fragmentos de piedra de imán o
magnetita (un óxido de hierro) encontrada cerca de la
antigua ciudad de Magnesia hace aproximadamente 2
000 años. Se observó que estos imanes naturales
atraían pequeños trozos de hierro no magnetizado. Esta
fuerza de atracción se conoce como magnetismo, y al
objeto que ejerce una fuerza magnética se le llama imán.
Si una barra imantada se introduce en un recipiente que contenga limaduras de
hierro y enseguida se retira, se aprecia que los minúsculos fragmentos de hierro
se adhieren más fuertemente a las áreas pequeñas cercanas a los extremos.
Estas regiones donde parece concentrarse la fuerza del imán se le llama polos
magnéticos.
Cuando cualquier material magnético se suspende de un cordel, gira
alrededor de un eje vertical. El extremo que apunta hacia el Norte se
llama el polo norte (N) del imán. Su opuesto, el extremo que ve al Sur
se llama polo sur (S) del imán. La polarización del material magnético
es lo que cuenta para su aprovechamiento como brújula para la
navegación. La brújula consiste en una aguja ligera imantada que se
apoya sobre un soporte con poca fricción.
Se puede demostrar fácilmente que los polos norte y sur del imán son diferentes.
Cuando se acerca al imán suspendido por la cuerda otra barra imantada, los dos
polo norte o los dos polos sur se repelen entre sí, mientras que el polo norte de
uno y el polo sur de otro se atraen mutuamente. La ley de la fuerza magnética
establece que:
Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se atraen.
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No existen polos aislados. No importa cuántas veces se rompa un imán por la
mitad, cada pieza resultante será un imán, con un polo norte y un polo sur. No se
conoce una sola partícula que sea capaz de crear un campo magnético de manera
similar a como un protón o electrón crean un campo eléctrico.
La atracción que ejercen los imanes sobre el hierro no magnetizado y las fuerzas
de interacción que surgen entre los polos magnéticos actúan a través de todas las
sustancias. En la industria, los materiales ferrosos que han sido desechados y se
arrojan a la basura pueden separarse para reutilizarlos por medio de imanes.
Campos Magnéticos
Todo imán está rodeado por un espacio, en el cual se manifiestan sus efectos
magnéticos. Dichas regiones se llaman campos magnéticos. Así como las líneas
del campo eléctrico fueron útiles para describir los campos eléctricos, las líneas
del campo magnético, llamadas líneas de flujo, son muy útiles para visualizar los
campos magnéticos. La dirección de una línea de flujo en cualquier punto tiene la
misma dirección de la fuerza magnética que actuaría sobre un polo norte
imaginario aislado y colocado en ese punto. De acuerdo con esto, las líneas de
flujo magnético salen del polo norte de un imán y entran en el polo sur. A
diferencia de las líneas de campo eléctrico, las líneas de flujo magnético no tienen
puntos iniciales o finales; forman espiras continuas que pasan a través de la barra
metálica.
Líneas de flujo
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La teoría moderna del magnetismo
En general se acepta que el magnetismo de la materia es
el resultado del movimiento de los electrones en los átomos
de las sustancias. De ser así, el magnetismo es una
propiedad de la carga en movimiento y está estrechamente
relacionado con el fenómeno eléctrico. De acuerdo con la
teoría clásica, los átomos individuales de una sustancia
magnética son, en efecto, diminutos imanes con polos
norte y sur. La polaridad magnética de los átomos se basa
principalmente en el espín de los electrones y se debe, sólo
en parte, a sus movimientos orbitales alrededor del núcleo.
Dos tipos de movimiento del
electrón son los que originan las
propiedades magnéticas.
No deben tomarse muy en serio los diagramas de este tipo, ya que aún se ignoran
muchos aspectos relacionados con el movimiento de los electrones. No obstante,
creemos firmemente que los campos magnéticos de todas las partículas deben ser
causados por cargas en movimiento, y tales modelos nos ayudan a describir tales
fenómenos.
Los átomos en un material magnético están agrupados en microscópicas regiones
magnéticas conocidas como dominios. Se piensa que todos los átomos dentro de
un dominio están polarizados magnéticamente a lo largo de un eje cristalino. En
un material no magnetizado, estos dominios se orientan en direcciones al azar; si
un gran número de dominios se orientan en la misma dirección, el material
mostrara fuertes propiedades magnéticas.
Los dominios magnéticos en un material no
magnetizado están orientados al azar.
La orientación preferida de los dominios en
un material magnetizado
Esta teoría del magnetismo es muy útil porque ofrece una explicación para gran
número de los efectos magnéticos observados en la materia. Por ejemplo, una
barra de hierro no magnetizada se puede transformar en un imán simplemente
sosteniendo otro imán cerca de ella o en contacto con ella. Este proceso, llamado
inducción magnética, se explica por medio de la teoría del dominio. La
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introducción de un campo magnético provoca
la alineación de los dominios, y eso da por
resultado la magnetización.
El magnetismo inducido es, a menudo, sólo
temporal, y cuando se retira el campo, los
dominios
gradualmente
se
vuelven
a
desorientar. Si los dominios permanecen
alineados en cierto grado después de que el
campo se ha eliminado, se dice que el material
está permanentemente magnetizado. La
capacidad de retener el magnetismo se conoce como retentividad.
Inducción magnética
Otra propiedad de los materiales magnéticos que se explica fácilmente a la luz de
la teoría del dominio es la saturación magnética. Tal parece que existe un límite
para el grado de magnetización que experimenta un material. Una vez que ha
alcanzado dicho límite, ningún campo externo, por fuerte que sea, puede
incrementar la magnetización. Se piensa que todos sus dominios ya se han
alineado.
Densidad de flujo y permeabilidad
Como se dijo anteriormente, las líneas de campo eléctrico se dibujan de modo que
su espaciamiento en cualquier punto permita determinar la fuerza del campo
eléctrico en ese punto. El número de líneas ∆N dibujadas a través de la unidad de
área ∆A es directamente proporcional a la intensidad del campo eléctrico E.
∆𝑵
=∈𝑬
∆𝑨
La constante de proporcionalidad∈, que determina el número de líneas dibujadas,
es la permisividad del medio a través del cual pasan las líneas.
Se puede realizar una descripción análoga de un campo magnético considerando
el flujo magnético Φ que pasa a través de una unidad de área perpendicular A˩. A
esta razón B se le llama densidad de flujo magnético, es una región de un
campo magnético, es el número de líneas de flujo que pasan a través de una
unidad de área perpendicular en esa región.
𝑩=
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𝜱 (𝒇𝒍𝒖𝒋𝒐)
𝑨˩ (á𝒓𝒆𝒂)
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La unidad del flujo magnético en el SI es el weber (Wb). La unidad de densidad de
flujo debe ser entonces webers por metro cuadrado, que se define como tesla (T).
Una antigua unidad que todavía se usa hoy es el gauss (G). En resumen:
1 T = 1 Wb/m2 = 104 G
La densidad de flujo en cualquier punto ubicado en un campo magnético se ve
afectada fuertemente por la naturaleza del medio o por la naturaleza del material
que se ha colocado en dicho medio. Por esta razón, es conveniente definir un
nuevo vector de campo magnético, la intensidad del campo magnético H, la cual
no depende de la naturaleza de un medio. En cualquier caso, el número de líneas
establecidas por unidad de área es directamente proporcional a la intensidad del
campo magnético H. Podemos escribir
𝑩=
Ф
= µ𝐇
𝑨˩
Donde la constante de proporcionalidad µ es la permeabilidad del medio a través
del cual pasan las líneas de flujo. Esta es exactamente análoga a la ecuación,
para el caso de los campos eléctricos. Puede pensarse en la permeabilidad de un
medio como una característica que constituye la medida de su capacidad para
establecer líneas de flujo magnético. Cuanto mayor sea la permeabilidad del
medio, mas líneas de flujo pasaran a través de la unidad de área.
La permeabilidad del espacio libre (vacio) se denota por µ0 y tiene la siguiente
magnitud en unidades de SI:
µ0 = 4𝝅 x 10-7 Wb/A*m = 4𝝅 x 10-7 T* m/A
El significado completo de la unidad weber por ampere-metro se verá más
adelante. Para su determinación se emplean las unidades de ф, A y H de la
ecuación. Por tanto en el caso de vacío, se puede escribir así:
B = µ0H
Si un material no magnético, como el vidrio, se coloca en un campo magnético, la
distribución del flujo no cambia apreciablemente en relación con la que se ha
establecido para el vacío. Sin embargo, cuando un material altamente permeable,
como el hierro dulce, se coloca en el mismo campo, la distribución de flujo se
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altera considerablemente. El material permeable se puede magnetizar por
inducción, lo que da por resultado una mayor intensidad de campo para esa región.
Por este motivo, la densidad de flujo B también se conoce como inducción
magnética.
Los materiales magnéticos se clasifican de acuerdo con su permeabilidad,
comparada con la que le corresponde al espacio vacío. La razón de la
permeabilidad del material respecto a la correspondiente del vacío se llama
permeabilidad relativa y se expresa en esta forma:
µ
µr = µ𝟎
Los materiales con una permeabilidad relativa ligeramente menor que la unidad
tienen la propiedad de ser repelidos por un imán fuerte. Se dice que tales
materiales son diamagnéticos, y la propiedad recibe el nombre de diamagnetismo.
Por otra parte, los materiales con una permeabilidad ligeramente mayor que la del
vacío se dice que son paramagnéticos. Estos materiales son atraídos débilmente
por un imán poderoso.
Sólo unos cuantos materiales, como hierro, tienen permeabilidades
extremadamente altas, que van desde algunos cientos hasta varios miles de veces
mayores que la correspondiente al espacio vacío. De dichos materiales, que son
fuertemente atraídos por un imán, se dice que son ferromagnéticos.
Campo magnético y corriente eléctrica
Aunque la teoría moderna del magnetismo sostiene que un campo magnético
resulta del movimiento de cargas, la ciencia no siempre ha aceptado esta idea. Es
demasiado fácil demostrar que un poderoso imán no ejerce ninguna fuerza sobre
la carga eléctrica. En el transcurso de una demostración, en 1820, Hans Oersted
presentó un experimento para que sus estudiantes observaran que las cargas en
movimiento y los imanes tampoco interactuaban. Colocó la aguja magnética de
una brújula cerca de un conductor, para su sorpresa, cuando envió la corriente a
través del alambre, una fuerza giratoria actuó sobre la aguja de la brújula hasta
que ésta apuntó en una dirección perpendicular al alambre. Más aún, la magnitud
de la fuerza dependía de la orientación relativa de la aguja de la brújula y la
dirección de la corriente. La máxima fuerza de giro se presentó cuando el alambre
y la aguja estaban en posición paralela antes de que circulara la corriente. Si
inicialmente estaban en posición perpendicular, no se experimentaba ninguna
fuerza. Evidentemente, se establece un campo magnético debido a la carga en
movimiento a través del conductor.
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En el mismo año que Oersted hizo su descubrimiento, Ampere encontró que
existen fuerzas entre dos conductores por donde circula una corriente. Dos
alambres por los que fluía corriente en la misma dirección se atraían entre sí,
mientras que corrientes con direcciones opuestas originaban una fuerza de
repulsión. Unos cuantos años después, Faraday descubrió que el movimiento de
un imán al acercarse o alejarse de un circuito eléctrico produce una corriente en el
circuito. La relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos ya no se puso en
duda. Actualmente, todos los fenómenos magnéticos pueden explicarse en
términos
de
cargas
eléctricas en movimiento.
Experimento de Oersted
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