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Los campos magnéticos son fundamentales para el electromagnetismo y subyacen en muchas aplicaciones prácticas que van desde las brújulas hasta las imágenes por resonancia magnética.
Los campos magnéticos o campos B pueden ser generados por cargas en movimiento, como una corriente eléctrica, u objetos como imanes de barra debido a la dinámica microscópica de las cargas dentro del material magnético.
Este video ilustrará cómo visualizar los campos magnéticos producidos por un conductor portador de corriente y un imán de barra permanente. Además, este video también demostrará la fuerza ejercida por los campos magnéticos producidos por una corriente en otro cable portador de corriente.
Los campos magnéticos se pueden visualizar mediante líneas de campo magnético. Se trata de líneas ficticias que ayudan a entender la distribución y dirección de los campos magnéticos.
La tangente de una línea de campo magnético refleja la dirección local del campo magnético, y la densidad de las líneas refleja la fuerza del campo magnético local, que en el caso de un imán de barra disminuye a medida que nos alejamos de su superficie. Las diferentes configuraciones de conductores de corriente producen diferentes variaciones en las distribuciones del campo magnético.
Por ejemplo, un cable largo y recto que transporta una corriente eléctrica produce un campo magnético, cuya dirección, representada por "líneas de campo magnético", es a lo largo de la dirección tangente circular alrededor del cable.
En el caso de un imán de barra, las líneas del campo magnético salen del polo norte del imán y entran en el polo sur del imán. Esto es similar al patrón de campo magnético producido por un solenoide, que es una bobina cilíndrica de alambre que transporta corriente.
La dirección del campo magnético producido por una corriente se puede determinar mediante la "regla de la mano derecha". La regla establece que si el pulgar apunta a lo largo de la dirección de la corriente, los dedos que se curvan alrededor del conductor indican la dirección del campo magnético. Por lo tanto, un imán de barra, cuando se acerca al conductor, se alinea con el campo magnético local generado.
Ahora sabemos que los campos magnéticos, producidos por cualquier conductor o imán, interactúan con los materiales magnéticos cercanos. Además, los campos magnéticos generados también interactúan con cargas eléctricas en movimiento, como las que se encuentran en un segundo conductor portador de corriente.
Cuando se introduce una carga móvil 'q' en un campo magnético 'B', el campo ejerce una fuerza 'F' sobre la carga. A esto se le llama la fuerza de Lorentz. La fuerza es proporcional al campo magnético 'B', a la carga 'q' y a su velocidad 'v', y está determinada por el producto vectorial de la velocidad de la carga y el campo magnético, multiplicado por la carga. Por lo tanto, la fuerza apunta en una dirección perpendicular tanto al movimiento de la carga como al campo magnético determinado por la "regla del pulgar de la mano derecha".
Habiendo revisado los conceptos básicos de los campos magnéticos, realicemos un experimento simple para visualizar estas líneas de campo magnético y demostrar cómo la fuerza de Lorentz ejercida por un campo magnético generado afecta a un cable portador de corriente paralelo.
Reúna los materiales e instrumentos necesarios, a saber, una fuente de corriente continua, una placa de plástico montada con varias agujas de brújula y un cable conductor recto que pase por su centro, y una barra magnética permanente.
Observa el tablero de plástico con un agujero en el centro. Se monta con varias agujas de brújula alrededor del orificio central con alfileres, de modo que las agujas pueden girar libremente.
También tenga en cuenta que el cable conductor se alimenta a través del orificio central de la placa. Asegúrate de que el cable esté perpendicular a la placa. Conecte el cable a la fuente de corriente continua mediante cables con abrazaderas.
Encienda la fuente de corriente y ajuste el suministro de corriente a +5 amperios. Observa el comportamiento de las agujas de la brújula.
A continuación, apague la fuente de alimentación y cambie los cables positivo y negativo. Luego, encienda la fuente de alimentación para invertir la dirección de la corriente que fluye a través del cable y observe las agujas de la brújula nuevamente.
Ahora apague y desconecte el suministro de corriente y obtenga una placa de plástico similar montada con agujas magnéticas, pero sin el cable conductor alimentado a través de ella. A continuación, identifique el polo norte de la barra magnética.
Con el eje largo de la barra magnética paralelo a la placa, acerque el polo norte a la placa desde un lado. Observe las agujas de la brújula para detectar cualquier cambio de orientación.
Ahora voltee la barra magnética de modo que el polo sur esté más cerca del tablero. Una vez más, observe las agujas de la brújula para detectar cualquier cambio de orientación.
Primero ensamble un marco con dos barras, una de ellas es horizontal a lo largo de la parte superior del marco y la otra es vertical que conecta la base con la primera barra. A continuación, ancle o pegue con cinta adhesiva la sección media de los dos cables conductores largos al marco. Cuelgue un extremo de ambos cables del marco de modo que los dos cables queden paralelos entre sí.
Ahora, conecte el extremo de los dos cables al interruptor y a los terminales. A continuación, conecte la configuración a una batería.
Asegúrese de que los cables estén conectados de tal manera que la corriente fluya en la misma dirección en ambos cables. Luego, accione el interruptor para conectar la batería a los cables conductores.
Observe los dos cables cuando la corriente pasa a través de ellos. A continuación, apague el interruptor para detener el flujo de corriente a través de los cables.
Invierta la dirección del interruptor para cambiar la dirección del flujo de corriente a través de los cables. Observe los dos cables cuando la corriente está encendida.
Ahora, habiendo revisado los protocolos, repasemos los resultados de los experimentos realizados.
En el experimento con las agujas de la brújula, inicialmente, las agujas están orientadas aleatoriamente. Al aplicar la corriente, las agujas de la brújula se alinean con el campo magnético local en un patrón circular.
Al invertir la dirección de la corriente, el campo magnético local se invierte, lo que a su vez invierte la orientación de las agujas de la brújula.
De manera similar, cuando el polo norte de la barra magnética se acerca a las agujas de la brújula, crea un campo magnético local y las agujas de la brújula se alinean a lo largo de estas líneas de campo magnético local.
Y cuando se invierte la barra magnética, la dirección del campo magnético también se invierte, lo que invierte la orientación de las agujas de la brújula.
En el experimento con los dos cables largos, los cables se atraen entre sí cuando la corriente que fluye en ellos tiene la misma dirección. Esto se debe a la fuerza de Lorentz generada por el campo magnético.
De acuerdo con la regla de la mano derecha, el cable izquierdo produce un campo magnético, que apunta en la dirección perpendicular al flujo de corriente en el sitio del cable derecho. Ahora, usa la regla de la otra mano derecha y coloca los dedos a lo largo de la dirección de la corriente y los campos magnéticos. A continuación, el pulgar extendido da la dirección de la fuerza de Lorentz. En este caso, la fuerza es hacia el cable izquierdo y, por lo tanto, atractiva.
Por otro lado, cuando el flujo de corriente en los dos cables está en direcciones opuestas entre sí, la regla de la mano derecha muestra que la dirección de la fuerza de Lorentz en el sitio del cable derecho está lejos del cable izquierdo, lo que hace que la fuerza sea repulsiva. Por lo tanto, los dos cables se separan.
Los campos magnéticos se encuentran en todas partes a nuestro alrededor y actualmente se utilizan en aplicaciones que van desde la navegación hasta el entorno clínico. Veamos ahora un par de aplicaciones comunes de los campos magnéticos.
Hace siglos, la dinastía Song de China inventó la primera brújula magnética que se utilizó para la navegación. Desde entonces, hemos dependido de la brújula, que funciona en conjunto con el propio campo magnético de la Tierra, para orientarnos.
El polo sur magnético de la Tierra se encuentra cerca de su polo norte geográfico. Por lo tanto, el polo norte magnético de la aguja de una brújula se alinea con el campo magnético de la Tierra y apunta hacia el norte geográfico de la Tierra.
Los campos magnéticos también tienen multitud de aplicaciones en el campo de la medicina y el diagnóstico médico. El uso más común de los campos magnéticos es en la resonancia magnética o resonancia magnética. Los escáneres de resonancia magnética utilizan fuertes campos magnéticos y gradientes de campo para generar imágenes del interior del cuerpo.
Acabas de ver la introducción de JoVE a los campos magnéticos. Ahora debería saber cómo visualizar los campos magnéticos utilizando las agujas de la brújula y comprender cómo la fuerza de Lorentz de un campo magnético producido por una corriente afecta a otra corriente casi paralela. ¡Gracias por mirar!
