Fuerzas y Campos Magnéticos

Definiciones de fuerza magnética y campo magnético

Debemos distinguir entre campo magnético y fuerza magnética. Primero definiremos la fuerza magnética y luego la relacionaremos con el campo magnético. La definición de campo magnético es la siguiente.

Es una fuerza que sólo se diferencia de otras fuerzas porque está generada por imanes. Se mide en newtons$\left(\mathrm{N}\right)$como cualquier otra fuerza. También es importante tener en cuenta que la partícula cargada debe estar en movimiento respecto al campo magnético para que experimente una fuerza magnética.

Relación entre fuerza magnética y campo magnético

Ahora debemos descubrir cómo crean esta fuerza los imanes, y para ello necesitamos hablar del campo magnético. La definición de campo magnético es la siguiente.

Un campo magnético está presente en cualquier punto del espacio donde una partícula cargada en movimiento siente una fuerza. Esto describe la relación entre fuerza magnética y campo magnético. La unidad de medida del campo magnético es el Tesla$\left(\mathrm{T}\right)$que equivale a Newtons por Amperio por metro$\left({\mathrm{NA}}^{-1}{\mathrm{m}}^{-1}\right)$.

Polos magnéticos

Si alguna vez has jugado con imanes de barra, te habrás dado cuenta de que cuando juntas dos caras de los imanes, se repelen. Si das la vuelta a una de las caras, las dos caras cercanas se atraerán. Hay un empuje o tirón evidente entre las caras, lo que indica que existe alguna fuerza magnética entre los imanes. Los objetos magnéticos tienen dos polos, o dos extremos, que determinarán si atraerán o repelerán a otros polos. Se denominan polo norte (N) y polo sur (S) y se representan en la siguiente figura de una barra magnética típica.

En esta imagen se muestra un imán de barra típico con los polos norte (N) y sur (S) indicados. El polo norte atraerá al polo sur de otro imán y viceversa, Free SVG

Las fuerzas magnéticas se determinan de la siguiente manera

• los polosafinesse repelen,
• los polosopuestos se atraen.

Esto explica las interacciones que sentimos cuando acercamos imanes de barra. La región en la que el polo magnético de un imán siente una fuerza magnética está dentro del campo magnético del otro imán, y viceversa. Podemos pensar que un polo magnético también produce campos magnéticos y se ve afectado por los campos magnéticos de otros polos magnéticos.

Líneas de campo magnético

Podemos representar las líneas a lo largo de las cuales actúan las fuerzas magnéticas con líneas de campo magnético, que podemos ver en la figura siguiente. Las líneas de campo magnético 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; sólo inferimos su presencia en virtud de la fuerza que experimentan los objetos magnéticos situados en cada punto del campo, e incluso entonces es la fuerza lo que medimos, no la intensidad del campo magnético en sí.

Las líneas de campo magnético de una barra magnética típica indicadas en esta imagen nos indican la dirección de la fuerza que se ejercería sobre un segundo polo norte que entrara en este campo magnético, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

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. Se ve claramente que sería repelido por el polo norte y atraído hacia el polo sur del primer imán. 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.

Ejemplos de campo y fuerza magnéticos

Podemos utilizar las representaciones anteriores de las líneas de campo magnético para imanes simples e intentar imaginar cómo serían las líneas de campo magnético cuando se juntan dos imanes con orientaciones diferentes. Lee los dos ejemplos siguientes y presta mucha atención a las direcciones de las flechas en cada caso.

La fórmula que relaciona la fuerza magnética y el campo magnético

Hemos visto la representación visual de la interacción entre los campos magnéticos de los imanes, pero nuestra definición anterior se extiende también a las cargas en movimiento. Eso significa, sin duda, que los campos magnéticos también interactuarán con las corrientes eléctricas, ya que una corriente eléctrica está compuesta por cargas en movimiento. Supongamos que un alambre largo y recto de longitud$L$se coloca en ángulo recto respecto a un campo magnético uniforme$B$. El hilo transporta una corriente$I$y experimenta una fuerza, ya que las cargas móviles del hilo están expuestas al campo magnético. La fuerza que siente el hilo viene dada por la ecuación

$\begin{array}{rcl}\mathrm{Force}& =& \mathrm{magnetic}\mathrm{field}\mathrm{strength}\times \mathrm{current}\times \mathrm{length}\end{array}$

o en símbolos,

$F=BIL$

La figura siguiente ilustra este efecto. Se coloca un hilo perpendicular a un campo magnético entre los polos de dos imanes. El campo magnético apunta de izquierda a derecha y la corriente apunta hacia el interior. El alambre siente una fuerza que lo empujará hacia abajo. La dirección hacia abajo puede obtenerse aplicando la regla de Fleming de la mano izquierda. Ten en cuenta que el alambre también puede estar en cualquier otro ángulo distinto de 90° respecto al campo (es decir, no perpendicular), pero el cálculo se complica un poco y no trataremos aquí ese supuesto.

Un hilo largo, recto y conductor de corriente que se coloca en un campo magnético sentirá una fuerza sobre él. Esto se debe a la interacción entre el campo y las cargas móviles del alambre, StudySmarter Originals

Diferencias entre fuerza magnética y campo magnético

Está claro que la fuerza magnética y el campo magnético son dos magnitudes completamente distintas, aunque puedan parecer similares. La tabla siguiente enumera tres diferencias entre el campo magnético y la fuerza magnética sobre una partícula cargada en un punto del campo magnético.