Seamos o no conscientes de su existencia, los campos magnéticos nos rodean. La mayoría son campos débiles que no notamos; pero, a veces, son campos potentes que pueden mover toneladas. Pero, ¿qué es un campo magnético?, ¿cómo puede llegar a serlo? y ¿cómo averiguamos cuánta fuerza pueden ejercer?
- Durante este artículo aprenderemos qué es un campo magnético.
- Hablaremos de los polos magnéticos de la tierra.
- Estudiaremos la fórmula para calcular el campo magnético.
- Y terminaremos con algunas de las principales aplicaciones del campo magnético.
¿Qué es un campo magnético?
Un campo magnético es una zona del espacio tridimensional donde las fuerzas magnéticas pueden interactuar con otras fuerzas y objetos magnéticos.
Cuando un objeto magnético entra en un campo magnético experimenta una de estas dos opciones:
- Una fuerza atractiva, que lo hala hacia la fuente del campo magnético.
- Una fuerza repulsiva, que lo aleja.
Los campos magnéticos pueden variar enormemente: bien pueden ser un campo continuamente constante, conocido como campo magnetostático; o bien la magnitud y dirección del campo pueden cambiar constantemente, dependiendo de cómo generemos el campo magnético.
Polos magnéticos
Los polos magnéticos son las áreas de un imán donde la fuerza magnética es más intensa. Los imanes tienen dos polos magnéticos: uno denominado polo norte (N) y otro, polo sur (S).
Estos polos tienen propiedades magnéticas que los hacen interactuar entre sí, de acuerdo con ciertas características importantes:
- Los polos opuestos se atraen, lo que significa que el polo norte de un imán se atraerá hacia el polo sur de otro imán, y viceversa.
- Mientras que, los polos del mismo tipo se repelen, lo que significa que dos polos norte o dos polos sur se repelerán entre sí.
Es fundamental destacar que los polos magnéticos no pueden existir de forma aislada. Si se corta un imán en dos piezas, cada una de ellas formará un nuevo imán con sus propios polos magnéticos. Esto significa que siempre habrá un polo norte y un polo sur en cada imán.
Los polos magnéticos son esenciales para el funcionamiento de muchos dispositivos y tecnologías, como los motores eléctricos, los generadores de energía, los discos duros de las computadoras y los altavoces, entre otros.
Además, los polos magnéticos también juegan un papel importante en la navegación, ya que la brújula se basa en la interacción entre los polos magnéticos para indicar la dirección norte-sur.
Los polos magnéticos no están necesariamente ubicados en los extremos de un imán. En realidad, el polo norte magnético de la Tierra se encuentra cerca del polo sur geográfico y el polo sur magnético se encuentra cerca del polo norte geográfico. Estos polos magnéticos terrestres se han movido a lo largo del tiempo, y continúan cambiando su ubicación. Además, existen polos magnéticos en otros planetas y cuerpos celestes del universo.
Líneas de campo magnético
Podemos representar las líneas a lo largo de las cuales actúan las fuerzas magnéticas con líneas de campo magnético.
Las líneas de campo magnético son líneas no son visibles, sino que son abstracciones matemáticas que contienen información sobre cómo afecta el campo magnético a la carga en movimiento dentro de su proximidad en cada punto del espacio.
Por tanto, solo inferimos su presencia en virtud de la fuerza que experimentan los objetos magnéticos situados en cada punto del campo; incluso entonces, la fuerza es lo que medimos, no la intensidad del campo magnético, en sí.
Las líneas de campo comienzan en el polo norte y terminan en el polo sur. Las flechas nos muestran la dirección en la que el polo norte de un segundo imán sentiría una fuerza magnética, si entrara en el campo magnético del primero. Cuanto más cerca estén las líneas de campo entre sí, más intenso será el campo magnético; es decir, mayor será la fuerza magnética que sentirá otro imán.
Fig. 1: Las líneas de campo magnético parten del polo norte y terminan en el polo sur.
Los objetos magnéticos siempre existen como dipolos: un imán siempre tendrá un polo norte y un polo sur. ¿Qué ocurre, entonces, si cortamos una barra magnética por el centro que separa los polos magnéticos norte y sur? La respuesta es que ahora tenemos dos imanes más pequeños, cada uno con dos polos magnéticos propios.
¿Cómo crear un campo magnético?
Cualquier cantidad de corriente que pase por un alambre generará un campo magnético; sin embargo, la intensidad de este campo puede variar mucho. Una corriente más intensa genera un campo magnético más intenso. Si la corriente es continua, tanto en magnitud como en dirección, generará un campo magnetostático. Sin embargo, si esta corriente es alterna, la dirección del campo magnético acabará cambiando tan a menudo como la dirección de la corriente, lo que alterará la magnitud del campo magnético.
Fig. 2: Ejemplo de un alambre por el que circula una corriente que genera un campo magnético.
Para aumentar de forma óptima la eficacia de un campo magnético, lo mejor es generarlo con un alambre en espiral. Estas bobinas de alambre se denominan solenoides. Hacer pasar corriente por un alambre en espiral generará un campo magnético intenso, y un mayor número de espiras aumentará la intensidad del campo magnético.
La dirección en la que fluye un campo magnético generado por un hilo conductor de corriente es fácil de determinar cuando se conoce la regla de la mano derecha.
La regla de la mano derecha nos muestra que si apuntamos con el pulgar en la dirección en la que viaja la corriente, el campo magnético rodeará el alambre en la dirección en la que apunten los dedos, si los mantenemos curvados.
Observa la siguiente imagen y pruébalo por ti mismo; verás que la dirección en la que van tus dedos se alinea con las líneas del campo magnético que se muestran.
Fig. 3: Si la corriente viajara en la misma dirección que el pulgar, los dedos se curvarían en la dirección en que lo haría el campo magnético producido por la corriente.
Fórmula del campo magnético
La fórmula utilizada para calcular la magnitud de un campo magnético, a partir de una corriente transportada en un alambre, es la siguiente:
\[B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}\]
Donde:
- \(B\) es la magnitud del campo magnético, medida en Teslas (\(\mathrm{T}\)).
- \(\mu_0\) es la permeabilidad del espacio libre, que es igual a \(4\pi \cdot 10^{-7}\,\,\mathrm{T\, m /A}\).
- \(I\) es igual a la magnitud de la corriente eléctrica que circula por un hilo que actúa como fuente del campo magnético, medida en amperios (\(\mathrm{A}\)).
- \(r\) es la distancia a la fuente del campo magnético, medida en metros (\(\mathrm{m}\)).
La permeabilidad es una forma de medir la capacidad de un material para permitir la formación de un campo magnético, ya que hay materiales que resisten más que otros la fuerza de un campo magnético. Por tanto, la permeabilidad del espacio libre es un valor que nos indica la capacidad de un espacio, sin ningún material para permitir la formación de un campo magnético, ya que los campos magnéticos para los que utilizamos esta fórmula se generan al aire libre.
Hagamos un ejemplo práctico:
¿Cuál es la magnitud de un campo magnético originado por un cable que transporta una corriente de \(5 \,\,\mathrm{A}\) que se encuentra a \(2\) metros de distancia?
Solución:
Simplemente, tomamos los valores de la corriente del cable y la distancia, y los sustituimos en la fórmula:
\[\begin{aligned} B=& \dfrac{(4\pi\cdot 10^{-7}\,\,\mathrm{T\cdot m/A})(5\,\,\mathrm{A})}{2\pi(2\,\,\mathrm{m})} \\ =& \dfrac{20\pi\cdot 10^{-7}\,\,\mathrm{T\cdot m}}{4\pi \,\,\mathrm{m}} \\ \\ =& \, 5 \cdot 10^{-7} \,\,\mathrm{T}\end{aligned}\]
Así tenemos una intensidad de campo magnético de \(5\cdot 10^{-7}\,\,\mathrm{T}\) a \(2\) metros de distancia.
Unidades del campo magnético
Las unidades que se utilizan para medir el campo magnético son:
Tesla (\(\mathrm{T}\)): Es la unidad del Sistema Internacional (SI) para medir la intensidad del campo magnético. Un tesla es igual a un weber por metro cuadrado (\(\mathrm{Wb/m^2}\)). El tesla se usa para medir campos magnéticos de alta intensidad, como los generados por imanes superconductores o en aplicaciones industriales.
Gauss (\(\mathrm{G}\)): Es una unidad de medida del campo magnético que se utiliza en algunos contextos más antiguos o en aplicaciones de baja intensidad. Un gauss es igual a \(0\,0001\) teslas, o 1 tesla equivale a \(10\,000\) gauss. Esta unidad suele emplearse para medir campos magnéticos más débiles, como los generados por imanes permanentes o en aplicaciones médicas.
Amperio por metro (\(\mathrm{A/m}\)): Es una unidad que se emplea para medir la intensidad del campo magnético generado por una corriente eléctrica. Un amperio por metro es igual a la intensidad de un campo magnético producido por una corriente de un amperio que circula por un conductor rectilíneo a una distancia de un metro.
Aplicaciones de campos magnéticos
Los campos magnéticos tienen muchos usos en el mundo moderno. Se emplean en innumerables tecnologías y nos facilitan la vida en muchos otros tipos de productos que utilizamos a diario. ¡Veamos algunos ejemplos!
- La utilización más básica de los campos magnéticos es el transporte de material magnético. Muchas cosas que usamos a diario están hechas de hierro, desde sartenes hasta aparatos de aire acondicionado. Esto también significa que muchos de nuestros residuos están hechos de hierro. Los campos magnéticos, que generamos enrollando alambre, sirven para transportar o mover estos residuos de una forma mucho más eficaz que con el trabajo humano.
- Los campos magnéticos tienen una aplicación particular en medicina. La resonancia magnética combina campos magnéticos con el empleo de ondas de radio para generar imágenes, incluidas imágenes detalladas del interior de determinadas partes del cuerpo.
- La levitación magnética parece ciencia ficción, pero los trenes de todo el mundo emplean esta tecnología. La enorme magnitud de la fuerza de repulsión entre el tren y las vías garantiza que no se produzca fricción alguna, lo que convierte a estos trenes en los más rápidos del planeta.
- Las ondas electromagnéticas, u ondas EM, son las que utilizamos para transportar información a través del planeta en un abrir y cerrar de ojos. Gracias a ellas disfrutamos de la televisión, la radio y otras innumerables formas de entretenimiento y comunicación.
- Un motor eléctrico funciona tomando un bucle de alambre con una corriente continua a su alrededor y colocándolo entre los polos norte y sur de dos imanes.
Campos magnéticos - Puntos clave
- Un campo magnético es una zona del espacio tridimensional donde las fuerzas magnéticas pueden interactuar con otras fuerzas y objetos magnéticos.
- Los campos magnéticos se generan a partir de la corriente que circula por un alambre, que puede optimizarse haciendo un bucle con este alambre.
- La fórmula para calcular la magnitud de un campo magnético es \(B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}\).
- Los campos magnéticos tienen numerosos usos y aplicaciones en el mundo real. Entre otros muchos ejemplos, ayudan en medicina a través de las resonancias magnéticas, permiten un transporte más rápido con los trenes de levitación magnética y se utilizan en motores eléctricos.
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