Electromagnetismo

El electromagnetismo estudia la relación entre la electricidad y el magnetismo, dos fenómenos que antes se consideraban independientes. Hoy sabemos que son manifestaciones diferentes de la misma fuerza fundamental.

El estudio del electromagnetismo es fundamental para entender el funcionamiento de muchos dispositivos cotidianos como motores eléctricos, generadores, transformadores e incluso tu teléfono móvil.

La comprensión de estos principios físicos nos ha permitido desarrollar toda la tecnología moderna que depende de la electricidad.

¡Dato interesante! Sin el descubrimiento del electromagnetismo, no existirían la mayoría de los dispositivos electrónicos que usas cada día, desde el móvil hasta la nevera.

Magnetismo e Imanes

El magnetismo se manifiesta a través de sustancias magnéticas, que son aquellas atraídas por la magnetita. Estas sustancias pueden convertirse en imanes mediante diferentes procesos de imantación: temporales (al ser sometidas a corriente eléctrica) o permanentes (al ser frotadas con magnetita).

Las líneas de fuerza magnética revelan el comportamiento del campo magnético y pueden visualizarse espolvoreando limaduras de hierro sobre una cartulina colocada sobre el imán. Estas líneas nos muestran que los polos de distinto nombre se atraen, mientras que los del mismo nombre se repelen.

Una característica fundamental de los imanes es que resulta imposible separar sus polos. Si partes un imán por la mitad, obtendrás dos imanes completos con sus respectivos polos norte y sur.

¡Importante! Un imán produce un campo magnético en el espacio que lo rodea. Esto es lo que le permite atraer objetos de hierro incluso sin tocarlos directamente.

Campo Magnético

El campo magnético se define como la región del espacio donde se manifiestan las fuerzas magnéticas. Si colocamos pequeños trozos de hierro cerca de un imán, estos serán atraídos, lo que demuestra la existencia del campo.

Una línea de campo magnético representa el camino que seguiría un polo norte aislado dentro del campo. Estas líneas siempre van del polo norte al polo sur del imán. Cuando las líneas apuntan hacia fuera del papel se representan con puntos (⊙), y cuando entran en el papel se representan con cruces (⊗).

Un campo magnético uniforme es aquel en el que la intensidad del vector de inducción magnética (𝐁⃗) es igual en todos los puntos del espacio. Esto ocurre, por ejemplo, entre dos placas magnéticas paralelas.

¡Visualízalo! Piensa en el campo magnético como un "mapa" invisible de fuerzas que rodea al imán. Las líneas de campo son como caminos que te muestran la dirección de estas fuerzas en cada punto.

Fuerza Magnética sobre Cargas Eléctricas

Cuando una carga eléctrica se encuentra dentro de un campo magnético, su comportamiento depende de si está en reposo o en movimiento. Si está en reposo, no se observa ninguna interacción, pero si está en movimiento, aparece una fuerza magnética proporcional al valor de la carga y a su velocidad.

La fuerza que actúa sobre una carga q que se mueve con velocidad v⃗ en un campo magnético B⃗ viene dada por la Ley de Lorentz: F⃗ = q(v⃗ × B⃗). El símbolo "×" representa el producto vectorial, lo que significa que la fuerza es perpendicular tanto a la velocidad como al campo.

El módulo de esta fuerza es F = qvB sen α, donde α es el ángulo entre los vectores v⃗ y B⃗. Si la carga se mueve paralela al campo (α = 0), la fuerza es cero; si se mueve perpendicular al campo (α = 90°), la fuerza es máxima.

Aplícalo: En un televisor de tubo antiguo, se utiliza esta fuerza para desviar electrones y formar imágenes en la pantalla. ¡La física detrás de la tecnología que usaban tus padres!

Trayectoria de Cargas en Campos Magnéticos

Cuando una carga positiva entra en un campo magnético, su trayectoria depende del ángulo entre su velocidad y el campo. Analicemos los tres casos posibles:

Si la velocidad es paralela al campo magnético (α = 0°), la fuerza magnética es cero $F = qvB sen 0° = 0$. La partícula continúa con movimiento rectilíneo uniforme, manteniendo su velocidad y dirección.

Si la velocidad es perpendicular al campo (α = 90°), la fuerza magnética es máxima $F = qvB$ y siempre perpendicular a la trayectoria. La partícula describe un movimiento circular uniforme con radio R = mv/qB y período T = 2πm/qB.

Si la velocidad forma un ángulo cualquiera α con el campo, la partícula sigue una trayectoria helicoidal. La componente paralela de la velocidad no se ve afectada, mientras que la perpendicular genera el movimiento circular.

¡Conéctalo con la realidad! Este principio es fundamental en los aceleradores de partículas, donde se controla la trayectoria de partículas cargadas para estudiar la estructura de la materia.

Movimiento Helicoidal y Unidades

Cuando una carga entra en un campo magnético formando un ángulo α con este, seguirá una trayectoria helicoidal. Esto ocurre porque la componente de la velocidad paralela al campo genera un movimiento rectilíneo, mientras que la componente perpendicular produce un movimiento circular.

El radio de esta hélice viene dado por R = (mv sen α)/(Bq), donde m es la masa de la partícula, v su velocidad, B la intensidad del campo magnético y q la carga. Esta trayectoria combina avance y giro simultáneos.

La unidad de medida del campo magnético en el Sistema Internacional es el tesla (T). Un tesla representa un campo que ejerce una fuerza de 1 newton sobre una carga de 1 culombio que se mueve a 1 metro por segundo perpendicularmente al campo.

Reflexiona: Las auroras boreales se producen cuando partículas cargadas del viento solar siguen trayectorias helicoidales al interactuar con el campo magnético terrestre. ¡La física explica uno de los fenómenos más bellos de la naturaleza!

Fuerza sobre Cargas en Campos Magnéticos

La unidad de inducción magnética en el Sistema Internacional es el tesla (T). Esta unidad representa el valor del campo magnético que ejerce una fuerza de 1 newton sobre una carga de 1 culombio que se mueve perpendicularmente al campo con una velocidad de 1 metro por segundo.

La fuerza que actúa sobre una carga eléctrica positiva en un campo magnético viene dada por la expresión vectorial: F⃗ = q(v⃗ × B⃗). Esta relación, conocida como Ley de Lorentz, indica que la fuerza es perpendicular tanto a la velocidad como al campo magnético.

El ángulo entre la velocidad y el campo magnético determina la intensidad de la fuerza. Para una carga que se mueve con un ángulo α respecto al campo, el módulo de la fuerza es F = qvB sen α.

Imagina esto: Si pudieras ver el campo magnético terrestre, verías líneas que salen del polo sur geográfico (que es el polo norte magnético) y entran por el polo norte geográfico (polo sur magnético). ¡Los nombres de los polos magnéticos terrestres están invertidos respecto a los geográficos!

Campos Eléctricos y Magnéticos Combinados

Cuando una carga eléctrica q se encuentra en una región del espacio donde coexisten un campo eléctrico E⃗ y un campo magnético B⃗, experimentará la acción de dos fuerzas diferentes.

La primera es la fuerza eléctrica qE⃗, que actúa sobre la carga independientemente de si está en movimiento o en reposo. La segunda es la fuerza magnética q(v⃗ × B⃗), que solo aparece cuando la carga está en movimiento.

La fuerza total que actúa sobre la carga será la suma vectorial de ambas fuerzas: F⃗ = qE⃗ + q(v⃗ × B⃗). Esta expresión se conoce como la ley de Lorentz completa.

Aplícalo a tu vida: Los televisores de tubo de rayos catódicos, los aceleradores de partículas y muchos sensores modernos utilizan la combinación de campos eléctricos y magnéticos para controlar con precisión el movimiento de partículas cargadas.

Fuerza Magnética sobre Conductores

Cuando un conductor rectilíneo de longitud L y sección S transporta una corriente eléctrica I dentro de un campo magnético B⃗, experimenta una fuerza magnética que depende de la intensidad de la corriente y de su orientación respecto al campo.

Para entender este fenómeno, consideremos que la intensidad de corriente se relaciona con la carga total Δq que atraviesa la sección en un tiempo Δt mediante: I = Δq/Δt. Las cargas en movimiento dentro del conductor experimentan la fuerza de Lorentz.

La fuerza magnética total sobre el conductor viene dada por: F⃗ = I(L⃗ × B⃗), donde L⃗ es un vector que tiene la misma dirección que el conductor y módulo igual a su longitud. Esta fuerza es máxima cuando el conductor es perpendicular al campo magnético.

¡Conéctalo con la tecnología! Este principio es el fundamento de los motores eléctricos, donde los conductores por los que circula corriente experimentan fuerzas magnéticas que provocan su movimiento rotatorio.

Momento del Campo Magnético sobre una Espira

Cuando una espira rectangular por la que circula una corriente I se encuentra en un campo magnético B⃗, experimenta un par de fuerzas que tiende a hacerla girar. Este fenómeno es la base de muchos dispositivos electromecánicos.

Las fuerzas magnéticas sobre los lados L₂ de la espira $F₂ = I(L₂ × B)$ son iguales en módulo pero de sentidos opuestos, por lo que se anulan entre sí. Sin embargo, las fuerzas sobre los lados L₁ actúan en líneas de acción diferentes, formando un par que produce un giro.

El momento del par de fuerzas sobre la espira se calcula como M = I S B sen α, donde S es la superficie de la espira y α es el ángulo que forma la normal a la espira con el campo magnético. También puede expresarse como M = m × B, siendo m el momento magnético de la espira.

Aplicación práctica: Este principio es el fundamento de los motores eléctricos, brújulas, altavoces y muchos instrumentos de medida eléctricos. ¡Casi todos los dispositivos que transforman electricidad en movimiento utilizan este efecto!