Explorando el Campo Magnético: Desde Oersted hasta el Espectrómetro de Masas

Hans Christian Oersted y el Descubrimiento del Campo Magnético

Hans Christian Oersted demostró experimentalmente cómo una aguja imantada de una brújula se orientaba perpendicularmente a una corriente eléctrica.

¿Qué es el Campo Magnético?

Las fuerzas magnéticas pueden ser debidas a corrientes eléctricas y a imanes. Estas fuerzas son ejercidas por cargas eléctricas en movimiento. Una carga eléctrica en movimiento crea una perturbación en el espacio llamada campo magnético.

El campo magnético es la perturbación que un imán o una corriente eléctrica producen en el espacio que los rodea. La intensidad del campo magnético se define con una magnitud vectorial. La dirección y el sentido de B en cada punto coinciden con la orientación del polo norte.

Fuerza Magnética sobre Cargas en Movimiento

Si en una región del espacio existe un campo magnético B y penetra una carga eléctrica q en movimiento con una velocidad v, sobre ella aparece una fuerza magnética.

Fuerza de Lorentz

La carga que está en reposo no experimenta fuerza magnética. Si v es paralela a B tampoco experimenta fuerza magnética. La dirección de la fuerza es perpendicular al plano de v y B, y su valor es máximo cuando v es perpendicular a B. La fuerza actúa sobre una carga negativa en sentido opuesto.

• La fuerza es siempre perpendicular al vector velocidad y a la trayectoria que describe, por lo que no realiza ningún trabajo. Una fuerza magnética no ejerce trabajo (W).
• Por ser perpendicular a v, la fuerza magnética no puede cambiar el módulo de la velocidad, sino solo su trayectoria.
• Si en la región existe un campo eléctrico y otro magnético, la fuerza total es: F=qE+q(vxB).

Unidad de Medida: Tesla

El Tesla (T) se define como la intensidad de un campo magnético que ejerce una fuerza de 1 N sobre una carga de 1 C que se desplaza con una velocidad de 1 m/s perpendicular al campo.

Representación de un Campo Magnético

• B es tangente a las líneas de campo en cada punto.
• La densidad de líneas de inducción magnética es proporcional al módulo de B.
• Son líneas cerradas que no tienen principio ni fin. Las líneas de inducción salen del polo N, recorren el espacio exterior y entran por el polo S, continuando por el interior del imán hasta el polo N.
• No son líneas de fuerza, ya que F es perpendicular a B.

Comportamiento de una Carga Eléctrica en un Campo Magnético

• En reposo: No se observa interacción entre ambos.
• En movimiento: Se manifiesta una fuerza magnética sobre ella proporcional al valor de la carga y a su velocidad.

Casos Específicos

• Si v es perpendicular a B, la partícula se moverá con Movimiento Circular Uniforme (MCU), ya que el producto vectorial hace que la fuerza salga perpendicular a la trayectoria.
• Si v es paralela a B, la partícula se moverá con Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU), manteniendo la velocidad y dirección que llevaba porque el campo no le afecta.
• Si v y B forman un ángulo cualquiera, la figura seguirá una trayectoria helicoidal.

Botella Magnética

Si el campo magnético B es variable, muy intenso en los extremos y débil en el medio, la partícula queda atrapada por el campo magnético terrestre describiendo trayectorias helicoidales alrededor de las líneas de B terrestre.

Selector de Velocidades

Si en una región del espacio tenemos un condensador, en el que existe un campo magnético B perpendicular a un campo eléctrico E, y entran en el espacio partículas cargadas perpendicularmente a ambos campos, experimentarán una fuerza magnética y una fuerza eléctrica en sentidos contrarios. Este dispositivo bloquea la entrada a todos los iones cuya velocidad no es paralela al eje e igual a v.

Espectrómetro de Masas

En un espectrómetro de masas, lo que se mide es la relación carga/masa (q/m) de iones de carga conocida midiendo el radio de las órbitas circulares en un campo magnético conocido.