La electricidad y el magnetismo

El Magnetismo y la electricidad se unieron, 2 campos que aún sorprenden a la ciencia

La analogía entre el magnetismo y la electricidad promovió la búsqueda de relaciones entre ellos que pudieran explicar sus características comunes, como por ejemplo, polaridad, inducción, atracciones y repulsiones, tarea que resultaba difícil de comprobar, porque los fenómenos de alta tensión de la electricidad estática, disimulaban los posibles efectos magnéticos.

A pesar de similitud, los fenómenos eléctricos se consideraron independientes de los fenómenos magnéticos por mucho tiempo. Gracias a Benjamin Franklin (1706-1790) observó que la aguja de las brújulas se desviaba con las descargas de rayos. Sin embargo, no existía para ese entonces evidencia firme que relacionara la electricidad y el magnetismo, esto lo hizo Hans Christian Oersted, convencido de que tenía que ser así, realizó diversas experiencias durante cerca de 12 años hasta obtener resultados aceptables.

¿A qué conclusiones llegó Oersted?

El magnetismo y la electricidad, no eran simples áreas de estudios, pero para la época de Oersted vaya que llegar a una conclusión debió haber realizo cientos de experimentos. Por ello:

  1. Christian Oersted concluyó que una corriente creaba un campo magnético, Michael Faraday, investigador físico y profesor en el instituto Real en Inglaterra, leyó el trabajo de Oersted donde describía su hallazgo y sus conclusiones. Esto lo llevó a verificar que un campo magnético podía crear una corriente eléctrica.

Hoy está claro que los efectos magnéticos son consecuencia del movimiento de cargas eléctricas.

Experiencia de Oersted sobre el magnetismo y la electricidad

Se dice que el profesor danés, H. C. Oersted en 1820, preparó una clase a sus estudiantes con el objetivo de demostrarles el calentamiento de un hilo conductor al paso de una corriente eléctrica y los fenómenos sobre el magnetismo, para lo cual tenía una aguja imanada sobre una peana de madera.

Hans Christian OerstedMientras llevaba a cabo su demostración eléctrica, Oersted notó para su sorpresa que cada vez que se conectaba la corriente eléctrica, se movía la aguja. Finalizó su clase, y en los meses siguientes trabajó mucho intentando explicar el nuevo fenómeno.

Su hallazgo resultó ser un hecho que sorprendió a la ciencia y convertirse en algo transcendental, que hasta el día de hoy conocemos como Efecto Oersted, Así fue como por primera vez que alguien mencionó la idea de que el efecto magnético debe estar disperso en todo el espacio, tal como veras más adelante, constituye la idea básica del campo magnético.

Actualmente este efecto lo enunciamos como: “Toda corriente eléctrica crea un campo magnético, en el espacio que la rodea”

A continuación una imagen, en la que puedes observar, que al acercar una aguja imantada a un hilo de platino por el que circula corriente, Oersted advirtió, sorprendido, que la aguja giraba hasta situarse perpendicular al hilo. Es más, al invertirse el sentido de la corriente, la aguja invertía su orientación.

Experimento de Hans Christian Oersted
Experimento de Hans Christian Oersted

Podemos preguntarnos, ¿Por qué la aguja de la brújula cambia su dirección?

La respuesta que se puede desprender de este experimento, es que para que esta aguja imantada se pudiera mover tuvo que experimentar una fuerza magnética, la cual debió ser generada por la corriente eléctrica en el alambre.

Aunque las cargas eléctricas en reposo carecen de efectos magnéticos, las corrientes eléctricas, es decir, las cargas en movimiento, crean campos magnéticos y se comportaban, por lo tanto, como imanes.

Sigamos conociendo más sobre el magnetismo y la electricidad

El magnetismo natural. Dominios magnéticos

La teoría más aceptada hoy día sobre el magnetismo, es la teoría de los dominios. Estas son pequeñas zonas de magnetización dentro del material con direcciones específicas.

Conforme a los estudios científicos que han seguido avanzado en este campo, el conocimiento que se ha desprendido sobre la composición de la materia, los electrones, os átomos, se comportan efectivamente como pequeños anillos de corriente junto a su movimiento orbital entorno al núcleo.

Cada electrón efectúa una especie de rotación en torno a sí mismo denominada espín; ambos movimientos pueden contribuir al magnetismo de cada átomo y todos los átomos al magnetismo del material.

En épocas pasadas como por ejemplo en los tiempos de Ampere, se ignoraba la existencia del electrón; por ello él modeló la propiedad magnética del imán como corrientes eléctricas existentes en su interior sin poder explicar qué las originaba; su hipótesis de las corrientes circulares se adelantó en tres cuartos de siglo a la moderna teoría atómica, por lo que puede ser considerada como una genial anticipación científica.

Dominios en una sustancia desmagnetizadaEn la siguiente imagen puedes ver a la izquierda Dominios de una sustancia Des-magnetizada y a la derecha Dominios de una sustancia magnetizada

El magnetismo y la electricidad en el estudio de los materiales

La comprensión de los Materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos nos brindan una ampliación de la información sobre cómo esta dualidad de la el magnetismo y la electricidad actúa con mayor o menor intensidad sobre los cuerpos.

Por ejemplo, el hierro es el material magnético por excelencia, pues al ponerse en contacto con el imán y, en general, cuando es sometido a la acción de un campo magnético, adquiere propiedades magnéticas, se magnetiza.

El tipo de materiales que como el hierro presentan un magnetismo fuerte reciben el nombre de sustancias ferromagnéticas. También lo son el níquel, el cobalto y otras aleaciones.

Al contrario, los materiales con un magnetismo débil se denominan paramagnéticos o diamagnéticos según sea su comportamiento, mientras que los primeros son atraídos por un campo magnético externo, los diamagnéticos son rechazados; es estaño, el aluminio y el platino son paramagnéticos, y el cobre, el oro, la plata y el zinc son diamagnéticos.

El estudio de el magnetismo y la electricidad sigue sorprendiendo a la ciencia, y por ello se crean nuevas áreas del conocimiento como lo es el campo magnético.

El campo magnético

El concepto de campo, provee no solo una descripción apropiada de muchos fenómenos físicos sino que también representa un elemento esencial en las teorías de las interacciones fundamentales.

Un campo clásico en física se entiende como una propiedad que en el espacio, inclusive en regiones con ausencia de materia, la cual manifiesta ejerciendo fuerzas sobre aquellos objetos materiales que se encuentran en esa región. Ejemplo de estos son los campos electromagnéticos y gravitatorios.

De hecho, se sabe que sobre las partículas cargadas actúan fuerzas eléctricas. Estas fuerzas eléctricas se producen de la siguiente manera: cada partícula cargada genera un campo eléctrico a su alrededor en el espacio que lo rodea. Así, se coloca una partícula en esa región experimenta una fuerza eléctrica debido al campo eléctrico generado por las otras partículas.

De manera análoga, se pueden entender las fuerzas magnéticas entre objetos magnetizados. De modo que el concepto de campo elimina la necesidad de recurrir al concepto de acción a distancia y nos lleva a considerar los campos como construcciones matemáticas (funciones de la posición y del tiempo) que ayudan a visualizar los efectos de las fuerzas.

En el espacio que rodea a un imán o un alambre con corriente existe lo que se denomina campo magnético, por lo que en esta “región de influencia magnética”, al colocar materiales magnéticos o una corriente, se pueden observar sobre ellos fuerzas magnéticas.

Tal como sucede en otros campos de fuerza (gravitacional o eléctrica), si se conoce el valor de la fuerza en cada punto, el campo magnético queda definido matemáticamente mediante una magnitud vectorial que recibe el nombre de Intensidad de Campo Magnético B. Las brújulas, al alinearse a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético, indican la dirección y el sentido del campo.

Líneas de campo magnético

El físico Michael Faraday tuvo la idea brillante de describir los campos eléctricos y magnéticos, por medio de líneas imaginarias. En el caso del campo magnético, la dirección era mostrada por un imán suspendido libremente. Él las llamó líneas de fuerza, hoy día las conocemos como líneas de campo magnético, y se pueden visualizar con limaduras de hierro.

A partir de ello, observamos las siguientes 5 propiedades de las líneas de campo:

  1. La tangente de la línea de campo en cualquier punto indica la dirección del vector campo magnético.
  2. El número de líneas de campo por unidad de área de sección transversal en una región del espacio está en relación directa a la magnitud del campo magnético. Por consiguiente, donde las líneas están muy cercanas, el campo es más intenso que donde están más separadas.
  3. La dirección de las líneas de campo magnético alrededor de un imán, van del polo norte al polo sur.
  4. Las líneas de campo son cerradas.
  5. Las líneas de campo no se cruzan.

A continuación, presentamos imágenes de la distribución espacial de limaduras de hierro producida por el campo magnético de corrientes eléctricas e imanes permanentes.

Las limaduras de hierro nos ayudan a comprender la electricidad y el magnetismoEl magnetismo y la electricidad, y su relación de una fuerza ejercida sobre una carga en movimiento.

En electrostática, estudiamos que una carga en reposo genera en su entorno un campo eléctrico y para comprobar la existencia de ese campo, se coloca una carga eléctrica positiva como testigo o de prueba, en reposo o en movimiento en dicho punto, esta experimenta una fuerza de origen eléctrico, es decir:

         E= Fe / q0.

Por consiguiente, un campo magnético, de forma semejante al campo eléctrico, lo podemos estudiar experimentalmente observando los efectos que produce, en este caso sobre cargas en movimientos.

La acción del campo magnético se puede observar acercando un imán a un tubo de rayos catódicos que tiene una pantalla fluorescente. En la pantalla, se registra que al acercarle un imán la trayectoria de los electrones que emite el cátodo fue desviado, lo cual indica que una fuerza magnética F se está ejerciendo sobre cada carga en movimiento que forma el haz.

A continuación observa en la siguiente imagen de la desviación de la trayectoria del flujo de electrones por la presencia de un campo magnético.

desviación de la trayectoria del flujo de electrones¿Cómo caracterizamos esta fuerza?

Experimentando se encuentra que se puede de 4 formas:

  • F es tanto mayor tanto mayor es la magnitud de la carga q y su sentido depende del signo de la carga. F ∞ q.
  • F es tanto mayor cuanto mayor es la velocidad V de la carga q, lo cual significa que la magnitud de la fuerza que experimenta la carga es directamente proporcional a su rapidez. F ∞ V
  • F se hace máxima cuando la carga se mueve en una dirección perpendicular a las líneas de campo y resulta nula cuando se mueve paralelamente a ella.
  • La dirección del vector fuerza magnética, F, es perpendicular al plano formado por los vectores B y V

De las características anteriores, podemos concluir que la fuerza magnética sobre una carga en movimiento dentro de campo magnético es proporcional al producto de dos vectores (V y B), cuyo resultado es un vector, recuerda que la fuerza F es una magnitud vectorial. Este producto debe ser vectorial.

La relación entre el campo magnético B, la velocidad de la partícula cargada v y su carga q la podemos expresar con la ecuación:

       F = q.V. B

Vimos que una de las propiedades de las líneas de campo magnética planteaba que la fuerza magnética es perpendicular a las líneas de campo B lo cual queda reflejado en este producto vectorial. El módulo de F se puede expresar como:

       F= q.v.B.Sen∞

Donde B representa el módulo de la intensidad del campo magnético, v la rapidez de la carga y el ángulo que forman los vectores V y B.

De esta ecuación podemos despejar la intensidad de campo magnético:

       B = F / q.v.sen∞

La unidad en las que se mide el campo magnético en el sistema internacional es:

Nombre Magnitud Tipo de Magnitud Símbolo Unidad en el SI Conversión a unidades básicas del SI
Intensidad de campo magnético Vector B Tesla (T) 1T = N/(Cm/seg)

1T= V s/m2

Para comprender más este punto, 1 Tesla es el campo magnético que sobre una carga de 1 C moviéndose con una rapidez de 1 m/seg, perpendicularmente a la dirección de B, que daría lugar a una fuerza de 1N.

El nombre de esta unidad es en honor al ingeniero nacido en la antigua Yugoslavia, Nicholas Tesla (1856-1943). El producto voltio por segundo (V.s) comúnmente se conoce como Weber (Wb) como homenaje al físico alemán Wilhelm E. Weber (1804-1841), de esta forma, 1 T= Wb/ m2

Observa esta imagen con tres ejemplos de cómo es valor del campo magnético en la tierra en un imán permanente y en un electroimán.

Unidad de campo magnético y su valor aproximado en la tierra, imán permanente y un electroimán

Son muchas las personas que les apasiona este tema, el mundo de la ciencia, la física y sus experimentos relacionados con el magnetismo y la electricidad, para finalizar tocaremos un punto relacionado con la dirección y sentido de la fuerza magnética.

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Dirección y sentido de la fuerza magnética

Tal como se ha explicado antes, F, V y B son vectores, por lo tanto, además de conocer sus módulos, es necesario conocer la relación entre sus direcciones y sentidos: el vector F es perpendicular al plano formado por vectores V y B.

Su sentido lo puedes determinar fácilmente mediante la regla conocida como regla de la mano derecha.

Por favor, observa la siguiente imagen, en la que se puede apreciar la regla de la mano derecha y el tornillo para determinar la dirección de la fuerza magnética.

El magnetismo y la electricidad, Regla de la mano derecha

Que si los dedos de la mano derecha apuntan en la dirección de V, y se flexionan hacia la dirección de B, entonces el pulgar extendido indica la dirección y sentido de la fuerza F. También se puede usar la regla del tornillo o del sacacorchos, donde el sentido de la fuerza F es el mismo del avance del tornillo o del sacacorchos.

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