Magnetismo

CAMPO MAGNETICO

Se puede afirmar que existe un campo magnético en un punto cercano a una fuente magnética, (corrientes o cuerpos imantados), si se produce una fuerza  a parte a la que se debe al campo eléctrico sobre una partícula cargada que se mueve a través de dicho punto.

Oersted sostuvo que puede producirse efectos magnéticos por el movimiento de cargas eléctricas, Faraday y Henrry  sostenían que puede obtenerse corrientes por el movimiento de imanes.

HISTORIA DEL ELECTROMAGNETISMO

Una parte de la historia del electromagnetismo se monta a los chinos que sugieren que el electromagnetismo fue conocido a principios del año 2000 A.C, otra parte de la historia se remonte a los antiguos griegos que observaron los fenómenos eléctricos y magnéticos posiblemente a principios del año 700 A.C. Para ello descubrieron que un pedazo de ámbar frotado se electrificaba y era capaz de atraer trozos de paja o plumas. La existencia de la fuerza magnética se conoció al observar que pedazos de roca natural llamada magnetita atraen el hierro. (la palabra eléctrico proviene del vocablo griego para el ámbar, elecktron. La palabra magnética viene del nombre de un distrito central al norte de Grecia donde se descubrió, Magnesia.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS

El descubrimiento por Faraday y Henry de este fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. Maxwell consiguió reunir en una sola teoría los conocimientos básicos sobre la electricidad y el magnetismo. Su teoría electromagnética predijo, antes de ser observadas experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas. Hertz comprobó su existencia e inició para la humanidad la era de las telecomunicaciones.

En el año 1819 Hans Christian Oersted, profesor de física de la Universidad de Copenhague, descubrió que al acercar una brújula a un conductor por el que circulaba corriente eléctrica la aguja de ésta se movía disponiéndose perpendicularmente a la dirección del conductor. Este descubrimiento de que una corriente eléctrica produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la electricidad y el magnetismo.

También era conocido a través de los estudios de Ampere que algunos materiales como la magnetita, imanes y brújulas, debían sus propiedades magnéticas a la existencia de unas corrientes microscópicas. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Algunos físicos famosos y otros menos conocidos estuvieron cerca de demostrar experimentalmente que también la naturaleza apostaba por tan atractiva idea, de hecho Joseph Henry, físico norteamericano descubrió un año antes que Faraday la inducción electromagnética pero hizo público su descubrimiento unos meses más tarde que Faraday y por eso se le atribuye el descubrimiento a este último. A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Faraday las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética.

IMAN

Es todo cuerpo que tiene la propiedad de atraer las limaduras de hierro, los cuales en el espacio se orientan.

Polos de un imán:

Son las zonas de un imán  donde se encuentran concentradas mas intensamente su imantación.

La Tierra tiene un campo magnético con polos Norte y Sur. El campo magnético de la Tierra alcanza hasta 36 000 millas en el espacio; El campo magnético de la Tierra está rodeado por una región llamada la magnetosfera.

La magnetosfera previene que la mayoría de las partículas del Sol, que se trasladan con el viento solar, choquen contra la Tierra.

¿CÓMO GENERA LA TIERRA SU CAMPO MAGNÉTICO?

El núcleo terrestre es líquido. Se trata de un magma muy caliente, un material conductor. Como el planeta gira, dicho magma también lo hace, aunque no de manera uniforme. Una rotación no uniforme de un material conductor crea una dínamo, y es ella la que da lugar al campo magnético terrestre, que presenta un polo Norte y un polo Sur. En algunos momentos se han intercambiado: el polo Norte ha pasado a ser el polo Sur y viceversa.

ALGUNAS PARTÍCULAS DEL VIENTO SOLAR PUEDEN PENETRAR LA MAGNETOSFERA. Estas partículas dan origen a los espectáculos de luces de la Aurora.

El Sol y otros planetas tienen magnetosferas, pero la Tierra tiene la más fuerte de todos los planetas rocosos. Los polos magnéticos Norte y Sur de la Tierra se invierten a intervalos irregulares de cientos de miles de años.

AÚN EXISTEN MUCHOS INTERROGANTES SOBRE CÓMO SE ORIGINÓ DE LA NADA EL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE, cómo creció y decreció a través de miles de años cambiando la polaridad (el polo norte magnético se transformó en polo sur magnético y viceversa), y cómo se mantiene.

LA TEORÍA MÁS ACEPTADA ES LA DEL EFECTO DÍNAMO (como la de un auto) en el núcleo exterior líquido de la Tierra, que te paso a explicar. Ante todo, debés tener presente que la Tierra se comporta como un gigantesco imán ubicado en su centro, cuyo eje está inclinado unos 11º respecto al eje de rotación, lo cual genera líneas de fuerzas

magnéticas que entran por el polo norte magnético (cerca del polo norte geográfico), penetran hacia dentro de la Tierra y salen por el polo sur magnético.

Efecto Dínamo:

El efecto dínamo es una teoría geofísica que explica el origen del campo magnético principal de la Tierra como una dínamo autoexcitada (o auto-sustentada). En este mecanismo dínamo el movimiento fluido en el núcleo exterior de la Tierra mueve el material conductor (hierro líquido) a través de un campo magnético débil, que ya existe, y genera una corriente eléctrica (el calor del decaimiento radiactivo en el núcleo induce el movimiento convectivo). La corriente eléctrica produce un campo magnético que también interactúa con el movimiento del fluido para crear un campo magnético secundario. Juntos, ambos campos son más intensos que el original y yacen esencialmente a lo largo del eje de rotación de la Tierra.

LA TEORÍA DÍNAMO FUE PROPUESTA POR EL FÍSICO AMERICANO DE ORIGEN ALEMÁN WALTER M. ELSASSER y el geofísico británico

Edward Bullard durante mediados de 1900. Aunque se propusieron otros mecanismos para la generación del campo magnético, sólo el concepto dínamo se considera seriamente

hoy.

PERO ¿QUÉ ES EL MAGNETISMO?

Hasta 1821 sólo era conocida una forma de magnetismo, la producida por imanes de hierro. Posteriormente, un científico danés, Hans Christian Oersted, mientras demostraba a sus amigos el flujo de una corriente eléctrica en un alambre, notó que la corriente causaba que la aguja de una brújula cercana se moviera. El nuevo fenómeno fue estudiado en Francia por André-Marie Ampere, quien concluyó que la naturaleza del magnetismo era muy diferente de la que se creía. Era básicamente una fuerza entre corrientes eléctricas: dos corrientes paralelas en la misma dirección se atraen, en direcciones opuestas se repelen. Los imanes de hierro son un caso muy especial, que Ampere también fue

capaz de explicar. En la naturaleza los campos magnéticos son producidos en el gas rarificado del espacio, en el calor resplandeciente de las manchas solares, y en el núcleo fundido de la Tierra. Tal magnetismo debe ser producido por corrientes eléctricas, pero permanece en un gran desafío encontrar cómo se producen esas corrientes.

CARGA MAGNETICA. (q*)

Es una cantidad escalar asociada a un polo magnético de modo que mide directamente la cantidad de magnetismo que este posee (Ampere. metro).

LEY CUALITATIVA.- “Dos polos de la misma naturaleza o nombre  se repelen  y de naturaleza diferente se atraen.

LEY CUANTITATIVA.- “Dos cargas magnéticas se atraen o repelen con fuerzas de igual intensidad, pero de direcciones opuestas  y cuyos valores son directamente  proporcionales al producto de sus cargas pero inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa”

CAMPO MAGNETICO ó DENSIDAD DE CAMPO MAGNETICO.

Es una magnitud vectorial, que pasa un punto del campo magnético nos da la fuerza con que actúa por cada unidad de carga magnética norte colocad en dicho punto.

El vector básico del campo magnético se representa por , recibe el nombre de inducción magnética, y puede representarse mediante líneas de inducción. El vector de campo magnético esta relacionado con sus líneas de inducción  de la siguiente forma:

• • La tangente  a una línea de inducción  en un punto dado indica la dirección de  en ese punto.
  • Las líneas de inducción se dibujan de tal forma que el número de líneas por unidad de área, en la sección transversal (perpendicular a las líneas), es proporcional a la magnitud de . Donde las líneas están muy concentradas  es grande  y donde están muy separadas  es muy pequeña.
  • Vectorialmente la intensidad del campo magnético   en un punto P  es un vector que satisface la siguiente relación:

Donde :  qo =  Carga positiva de prueba

               V = velocidad de la carga.

 De donde :        donde

La unidad de   en el S.I.  es el Tesla  (T)

 1 Tesla = 1Wb/m²  = 1 N/A.m.

ECUACION DE LORENTZ

Si una partícula de carga qo se mueve en un campo eléctrico   y magnético , experimenta una fuerza dada por:

FUERZA MAGNÉTICA EN UNA CORRIENTE

 = Es un vector de desplazamiento que

apunta a lo largo del alambre (recto) en el

 sentido de la corriente.

TORQUE SOBRE UNA ESPIRA DE CORRIENTE

La figura muestra  una bobina  que transporta una corriente  i  colocada en un campo magnético uniforme externo.

El Torque sobre una vuelta de la bobina es:

El Torque sobre la bobina de N vueltas será:

Donde A = a.b (área de la espira).

En forma vectorial se puede expresar el Torque sobre una espira como:

Donde: u = NiA , es llamado el Momento Bipolar Magnético y se encuentra a lo largo de un eje perpendicular al plano de la espira; su dirección se encuentra aplicando la regla de la mano derecha.

La Energía Potencial Magnética.- en una posición  se define como el trabajo que debe realizar un agente externo para hacer girar el dipolo de su posición de energía cero ()  a una posición dada  . En consecuencia:

CIRCULACIÓN DE CARGAS

La figura muestra una partícula con carga negativa que se introduce con una velocidad  en un campo magnético uniforme .

Si  y  son perpendiculares, se cumple por la segunda Ley  Newton:

              

r = Radio de la trayectoria

La velocidad angular         

En ciertas ocasiones a f se le llama frecuencia del ciclotrón de la partícula en el campo, debido a que en ciclotrón las partículas circulan con esta frecuencia.

EL CICLOTRON

Es un dispositivo que sirve para acelerar partículas cargadas, como los núcleos de Hidrogeno (protones) o los núcleos de  Hidrógeno  pesado (deuterones), hasta altas energías para que puedan utilizarse en experimentos de colisiones atómicas

Los elementos esenciales de un ciclotrón son : Un electro imán , dos cámaras metálicas, denominados “DES” , que forman parte de un  oscilador eléctrico que establece  la diferencia de potencial aceleradora en el espacio entre las “DES” , y una fuente iónica S

Las des están inmersas en un campo magnético cuya dirección es tal que sale del plano de la figura.

La clave de la operación  del ciclotrón consiste en que  la frecuencia  característica f  con la que circula  el ión  en el campo debe ser igual a la frecuencia fija  f_o del oscilador eléctrico, es decir:

Por la condición de resonancia:

La Energía de las partículas  producidas  en un ciclotrón depende del radio “R”  de las “des”. La rapidez de las partículas  que circulan con este radio  queda determinado por:

Por lo tanto, su energía cinética es: