¿Cómo funcionan los campos magnéticos?

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Actualizado el 28 de diciembre de 2020

Por S. Hussain Ather

Para un objeto magnético, las líneas de campo magnético viajan de norte a sur del objeto de la misma manera que lo hacen las líneas de campo magnético alrededor de la Tierra.

••• Syed Hussain Ather

Campos magnéticosdescribe cómo se distribuye la fuerza magnética a través del espacio alrededor de los objetos. Generalmente, para un objeto que es magnético, las líneas del campo magnético viajan desde el polo norte del objeto hasta el polo sur, tal como lo hacen para el campo magnético de la Tierra, como se muestra en el diagrama de arriba.

La misma fuerza magnética que hace que los objetos se adhieran a las superficies del refrigerador se usa en el campo magnético de la Tierra que protege la capa de ozono del dañino viento solar. El campo magnético forma paquetes de energía que evitan que la capa de ozono pierda dióxido de carbono.

Puede observar esto vertiendo limaduras de hierro, pequeñas piezas de hierro en forma de polvo, en presencia de un imán. Coloque un imán debajo de un trozo de papel o una tela liviana. Vierta las limaduras de hierro y observe las formas y formas que toman. Determine qué líneas de campo tendría que haber para hacer que las limaduras se organicen y distribuyan de esta manera de acuerdo con la física de los campos magnéticos.

Cuanto mayor sea la densidad de las líneas del campo magnético trazadas de norte a sur, mayor será la magnitud del campo magnético. Estos polos norte y sur también dictan si los objetos magnéticos son atractivos (entre los polos norte y sur) o repulsivos (entre polos idénticos). Los campos magnéticos se miden en unidades de Tesla,T.

Ciencia de los campos magnéticos

Debido a que los campos magnéticos se forman siempre que las cargas están en movimiento, los campos magnéticos son inducidos por la corriente eléctrica a través de los cables. El campo le brinda una forma de describir la fuerza potencial y la dirección de una fuerza magnética dependiendo de la corriente a través de un cable eléctrico y la distancia que viaja la corriente. Las líneas de campo magnético forman círculos concéntricos alrededor de los cables. La dirección de estos campos se puede determinar mediante la «regla de la mano derecha».

Esta regla te dice que, si colocas el pulgar derecho en la dirección de la corriente eléctrica a través de un cable, los campos magnéticos resultantes están en la dirección en que se curvan los dedos de tu mano. A mayor corriente, se induce un mayor campo magnético.

¿Cómo se determina el campo magnético?

Puedes usar diferentes ejemplos de laregla de la mano derecha​, una regla general para determinar la dirección de diferentes cantidades que involucran campo magnético, fuerza magnética y corriente. Esta regla empírica es útil para muchos casos de electricidad y magnetismo según lo dictan las matemáticas de las cantidades.

La regla de la mano derecha para el campo magnético establece que el campo magnético viaja en la dirección en que los dedos de la mano derecha se curvan cuando coloca el pulgar en la dirección de la corriente eléctrica.

••• Syed Hussain Ather

Esta regla de la mano derecha también se puede aplicar en la otra dirección para un magnético.solenoideo una serie de corrientes eléctricas envueltas en alambres alrededor de un imán. Si apunta con el pulgar de la mano derecha en la dirección del campo magnético, los dedos de la mano derecha se enrollarán en la dirección de la corriente eléctrica. Los solenoides le permiten aprovechar el poder del campo magnético a través de corrientes eléctricas.

Para un solenoide, los bucles de corriente forman un campo magnético.  Esto también obedece a la regla de la mano derecha.

••• Syed Hussain Ather

Cuando viaja una carga eléctrica, el campo magnético se genera a medida que los electrones que giran y se mueven se convierten en objetos magnéticos. Los elementos que tienen electrones desapareados en sus estados fundamentales, como el hierro, el cobalto y el níquel, se pueden alinear de manera que formen imanes permanentes. El campo magnético producido por los electrones de estos elementos permite que la corriente eléctrica fluya a través de estos elementos con mayor facilidad. Los propios campos magnéticos también pueden cancelarse entre sí si tienen la misma magnitud en direcciones opuestas.

Corriente que fluye a través de una bateríayoemite un campo magnéticoBen el radiorde acuerdo con la ecuación deley de ampère​:

B=2\pi r\mu_0 I

dondem0 es la constante magnética de permeabilidad al vacío,1,26×10-6 H/m(«Henries por metro» en el que Henries es la unidad de inductancia). Aumentar la corriente y acercarse al cable aumenta el campo magnético resultante.

Tipos de imanes

Para que un objeto sea magnético, los electrones que lo componen deben poder moverse libremente alrededor y entre los átomos del objeto. Para que un material sea magnético, los átomos con electrones desapareados del mismo espín son candidatos ideales, ya que estos átomos pueden emparejarse entre sí para permitir que los electrones fluyan libremente. Probar materiales en presencia de campos magnéticos y examinar las propiedades magnéticas de los átomos que forman estos materiales puede brindarle información sobre su magnetismo.

Ferroimanestienen esta propiedad de que son permanentemente magnéticos.​Paraimanes​, por el contrario, no mostrará propiedades magnéticas a menos que esté en presencia de un campo magnético para alinear los espines de los electrones para que puedan moverse libremente.​Diaimanestienen composiciones atómicas tales que no se ven afectados por los campos magnéticos o solo se ven afectados muy poco por los campos magnéticos. No tienen o tienen pocos electrones desapareados para permitir que las cargas fluyan.

Los paraimanes funcionan porque están hechos de materiales que siempre tienenmomentos magnéticosconocidos como dipolos. Estos momentos son su capacidad para alinearse con un campo magnético externo debido al giro de los electrones desapareados en los orbitales de los átomos que forman estos materiales. En presencia de un campo magnético, los materiales se alinean para oponerse a la fuerza del campo magnético. Los elementos paramagnéticos incluyen magnesio, molibdeno, litio y tantalio.

Dentro de un material ferromagnético, el dipolo de los átomos es permanente, generalmente como resultado del calentamiento y enfriamiento del material paramagnético. Esto los convierte en candidatos ideales para electroimanes, motores, generadores y transformadores para su uso en dispositivos eléctricos. Los diamagnetos, por el contrario, pueden producir una fuerza que permite que los electrones fluyan libremente en forma de corriente que, luego, crea un campo magnético opuesto a cualquier campo magnético que se les aplique. Esto cancela el campo magnético y evita que se vuelvan magnéticos.

Fuerza magnética

Los campos magnéticos determinan cómo se pueden distribuir las fuerzas magnéticas en presencia de material magnético. Mientras que los campos eléctricos describen la fuerza eléctrica en presencia de un electrón, los campos magnéticos no tienen partículas análogas sobre las cuales describir la fuerza magnética. Los científicos han teorizado que puede existir un monopolo magnético, pero no ha habido evidencia experimental que demuestre que estas partículas existen. Si existieran, estas partículas tendrían una «carga» magnética de la misma manera que las partículas cargadas tienen cargas eléctricas.

La fuerza magnética resulta de la fuerza electromagnética, la fuerza que describe los componentes eléctricos y magnéticos de partículas y objetos. Esto muestra cómo el magnetismo es intrínseco a los mismos fenómenos de la electricidad, como la corriente y el campo eléctrico. La carga de un electrón es lo que hace que el campo magnético lo desvíe a través de la fuerza magnética de la misma manera que lo hacen el campo eléctrico y la fuerza eléctrica.

Campos magnéticos y campos eléctricos

Mientras que solo las partículas cargadas en movimiento emiten campos magnéticos, y todas las partículas cargadas emiten campos eléctricos, los campos magnéticos y electromagnéticos son parte de la misma fuerza fundamental del electromagnetismo. La fuerza electromagnética actúa entre todas las partículas cargadas del universo. La fuerza electromagnética toma la forma de fenómenos cotidianos en la electricidad y el magnetismo, como la electricidad estática y los enlaces cargados eléctricamente que mantienen unidas a las moléculas.

Esta fuerza junto con las reacciones químicas también forman la base de la fuerza electromotriz que permite que la corriente fluya a través de los circuitos. Cuando un campo magnético se ve entrelazado con un campo eléctrico, el producto resultante se conoce como campo electromagnético.

elEcuación de la fuerza de Lorentz

F=qE+qv\veces B

describe la fuerza sobre una partícula cargadaqmoviéndose a velocidadven presencia de un campo eléctricomiy campo magnéticoB. En esta ecuación elXentreqvyBrepresenta el producto cruz. el primer terminoqEes la contribución del campo eléctrico a la fuerza, y el segundo términoqv x bes la contribución del campo magnético.

La ecuación de Lorentz también te dice que la fuerza magnética entre la velocidad de la cargavy el campo magneticoBesqvbsinϕpor un cargoqdondeϕ(«phi») es el ángulo entrevyB​, que debe ser menor que 1​80grados Si el ángulo entrevyB​ es mayor, entonces debes usar el ángulo en la dirección opuesta para corregir esto (de la definición de un producto cruzado). siϕes 0, como en, la velocidad y el campo magnético apuntan en la misma dirección, la fuerza magnética será 0. La partícula continuará moviéndose sin ser desviada por el campo magnético.

Producto cruzado de campo magnético

El producto cruzado de dos vectores, a y b, es el vector resultante c.  C es perpendicular a ayb con una magnitud igual al área del paralelogramo que crean ayb.

••• Syed Hussain Ather

En el diagrama de arriba, el producto cruzado entre dos vectoresaybesC. Tenga en cuenta la dirección y la magnitud deC. está en la dirección perpendicular aaybcuando está dada por la regla de la mano derecha. La regla de la mano derecha significa que la dirección del producto cruzado resultanteCestá dado por la dirección de su pulgar cuando su dedo índice derecho está en la dirección deby tu dedo medio derecho está en la dirección dea.

El producto vectorial es una operación vectorial que da como resultado el vector perpendicular a ambosqvyBdado por la regla de la mano derecha de los tres vectores y con magnitud del área del paralelogramo que los vectoresqvyBlapso La regla de la mano derecha significa que puede determinar la dirección del producto cruzado entreqvyBcolocando su dedo índice derecho en la dirección deB​, su dedo medio en la dirección deqvy la dirección resultante de su pulgar será la dirección del producto cruzado de estos dos vectores.

La regla de la mano derecha también se puede aplicar al campo magnético, la fuerza magnética y la corriente.

••• Syed Hussain Ather

En el diagrama anterior, la regla de la mano derecha también demuestra la relación entre el campo magnético, la fuerza magnética y la corriente a través de un cable. Esto también muestra que el producto cruzado entre estas tres cantidades puede representar la regla de la mano derecha, ya que el producto cruzado entre la dirección de la fuerza y ​​el campo es igual a la dirección de la corriente.

Campo magnético en la vida cotidiana

Los campos magnéticos de alrededor de 0,2 a 0,3 tesla se utilizan en MRI, resonancia magnética. La resonancia magnética es un método que utilizan los médicos para estudiar las estructuras internas del cuerpo de un paciente, como el cerebro, las articulaciones y los músculos. Esto generalmente se hace colocando al paciente dentro de un fuerte campo magnético de modo que el campo corra a lo largo del eje del cuerpo. Si imagina que el paciente fuera un solenoide magnético, las corrientes eléctricas envolverían su cuerpo y el campo magnético se dirigiría en dirección vertical con respecto al cuerpo, como dicta la regla de la mano derecha.

Luego, los científicos y los médicos estudian las formas en que los protones se desvían de su alineación normal para estudiar las estructuras dentro del cuerpo de un paciente. A través de esto, los médicos pueden realizar diagnósticos seguros y no invasivos de diversas afecciones.

La persona no siente el campo magnético durante el proceso, pero, debido a que hay tanta agua en el cuerpo humano, los núcleos de hidrógeno (que son protones) se alinean debido al campo magnético. El escáner de resonancia magnética utiliza un campo magnético del que los protones absorben energía y, cuando el campo magnético se apaga, los protones vuelven a sus posiciones normales. Luego, el dispositivo rastrea este cambio de posición para determinar cómo se alinean los protones y crear una imagen…

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