Física

Objetivo de aprendizaje

Al final de esta sección, serás capaz de:

  • Definir el campo magnético y describir las líneas de campo magnético de varios campos magnéticos.

Se dice que Einstein estaba fascinado por una brújula cuando era niño, quizás reflexionando sobre cómo la aguja sentía una fuerza sin contacto físico directo. Su capacidad para pensar con profundidad y claridad sobre la acción a distancia, en particular para las fuerzas gravitatorias, eléctricas y magnéticas, le permitió más tarde crear su revolucionaria teoría de la relatividad. Como las fuerzas magnéticas actúan a distancia, definimos un campo magnético para representar las fuerzas magnéticas. La representación pictórica de las líneas de campo magnético es muy útil para visualizar la fuerza y la dirección del campo magnético. Como se muestra en la figura 1, la dirección de las líneas de campo magnético se define como la dirección en la que apunta el extremo norte de la aguja de una brújula. El campo magnético se denomina tradicionalmente campo B.

Tres diagramas que ilustran las líneas de campo magnético. La figura a muestra un imán de barra con varias brújulas dispuestas a lo largo del imán a ambos lados. Las agujas de las brújulas situadas en el polo norte del imán apuntan hacia fuera del polo. Las agujas de las brújulas del polo sur del imán apuntan hacia el polo. Las agujas de las brújulas situadas entre los dos polos apuntan en paralelo al imán, hacia el polo sur. La figura b muestra líneas que van desde el polo norte hasta el polo sur. La figura c muestra líneas como bucles cerrados que van desde el polo norte fuera del imán y alrededor del polo sur, y luego hacia arriba a través del imán hasta el polo norte.

Figura 1. Las líneas de campo magnético se definen para tener la dirección que señala una pequeña brújula cuando se coloca en un lugar. (a) Si se utilizan pequeñas brújulas para trazar el campo magnético alrededor de un imán de barra, apuntarán en las direcciones indicadas: lejos del polo norte del imán, hacia el polo sur del imán. (Recordemos que el polo norte del imán de la Tierra es realmente un polo sur en términos de definiciones de polos en una barra magnética). (b) Conectando las flechas se obtienen líneas de campo magnético continuas. La intensidad del campo es proporcional a la cercanía (o densidad) de las líneas. (c) Si se pudiera sondear el interior del imán, se encontraría que las líneas de campo forman bucles cerrados continuos.

Las pequeñas brújulas utilizadas para probar un campo magnético no lo perturbarán. (Esto es análogo a la forma en que probamos los campos eléctricos con una pequeña carga de prueba. En ambos casos, los campos representan sólo el objeto que los crea y no la sonda que los prueba). La figura 2 muestra cómo aparece el campo magnético para un bucle de corriente y un cable largo y recto, tal y como se podría explorar con pequeñas brújulas. Una pequeña brújula colocada en estos campos se alineará paralela a la línea de campo en su ubicación, con su polo norte apuntando en la dirección de B. Observe los símbolos utilizados para el campo hacia dentro y hacia fuera del papel.

Figura a: campo magnético de un bucle de corriente circular con una corriente que se mueve en sentido contrario a las agujas del reloj. Las líneas de campo también son aproximadamente circulares, pasando por el centro de la espira de corriente y volviendo a bajar fuera de la espira. Figura b: un cable recto con una corriente que sube en línea recta. Las líneas de campo magnético rodean el cable en sentido contrario a las agujas del reloj. Figura c: una mano derecha con el pulgar apuntando hacia arriba, paralela a un alambre con la corriente corriendo hacia arriba. Las figuras de la mano se enroscan alrededor del cable en el sentido contrario a las agujas del reloj para mostrar la dirección del campo magnético cuando la corriente es ascendente. El símbolo para representar las líneas de campo magnético que salen de la superficie y se dirigen hacia el espectador -hacia fuera- es un círculo con un círculo soldado en su interior. El símbolo que representa las líneas de campo magnético que se dirigen hacia la superficie y se alejan del observador -B in- se representa con un círculo con una x en su interior. Cuando la corriente va hacia arriba, B out está a la izquierda y B in a la derecha.

Figura 2. Se pueden utilizar pequeñas brújulas para trazar los campos que se muestran aquí. (a) El campo magnético de un bucle de corriente circular es similar al de una barra magnética. (b) Un cable largo y recto crea un campo con líneas de campo magnético que forman bucles circulares. (c) Cuando el hilo está en el plano del papel, el campo es perpendicular al papel. Observa que los símbolos utilizados para el campo que apunta hacia adentro (como la cola de una flecha) y el campo que apunta hacia afuera (como la punta de una flecha).

Haciendo Conexiones: Concepto de campo

Un campo es una forma de mapear las fuerzas que rodean a cualquier objeto y que pueden actuar sobre otro objeto a distancia sin conexión física aparente. El campo representa al objeto que lo genera. Los campos gravitacionales representan las fuerzas gravitacionales, los campos eléctricos las fuerzas eléctricas, y los campos magnéticos las fuerzas magnéticas.

La exploración exhaustiva de los campos magnéticos ha revelado una serie de reglas estrictas. Utilizamos líneas de campo magnético para representar el campo (las líneas son una herramienta pictórica, no una entidad física en sí misma). Las propiedades de las líneas de campo magnético pueden resumirse con estas reglas:

  1. La dirección del campo magnético es tangente a la línea de campo en cualquier punto del espacio. Una pequeña brújula apuntará en la dirección de la línea de campo.
  2. La fuerza del campo es proporcional a la cercanía de las líneas. Es exactamente proporcional al número de líneas por unidad de superficie perpendicular a las líneas (llamada densidad areal).
  3. Las líneas del campo magnético nunca pueden cruzarse, lo que significa que el campo es único en cualquier punto del espacio.
  4. Las líneas del campo magnético son continuas, formando bucles cerrados sin principio ni fin. Van del polo norte al polo sur.

    La última propiedad está relacionada con el hecho de que los polos norte y sur no pueden separarse. Es una diferencia clara respecto a las líneas de campo eléctrico, que comienzan y terminan en las cargas positivas y negativas. Si los monopolos magnéticos existieran, entonces las líneas de campo magnético comenzarían y terminarían en ellos.

    Resumen de la sección

    • Los campos magnéticos pueden representarse pictóricamente mediante líneas de campo magnético, cuyas propiedades son las siguientes:
      • El campo es tangente a la línea de campo magnético.
      • La intensidad del campo es proporcional a la densidad de la línea.
      • Las líneas de campo no pueden cruzarse.
      • Las líneas de campo son bucles continuos.

    Preguntas conceptuales

    1. Explique por qué el campo magnético no sería único (es decir, no tendría un valor único) en un punto del espacio donde las líneas de campo magnético podrían cruzarse. (Considere la dirección del campo en dicho punto.)
    2. Enumere las formas en que las líneas de campo magnético y las líneas de campo eléctrico son similares. Por ejemplo, la dirección del campo es tangente a la línea en cualquier punto del espacio. Enumere también las formas en las que difieren. Por ejemplo, la fuerza eléctrica es paralela a las líneas de campo eléctrico, mientras que la fuerza magnética sobre las cargas en movimiento es perpendicular a las líneas de campo magnético.
    3. Notando que las líneas de campo magnético de una barra magnética se asemejan a las líneas de campo eléctrico de un par de cargas iguales y opuestas, ¿espera que el campo magnético disminuya rápidamente su intensidad con la distancia al imán? ¿Es esto coherente con su experiencia con los imanes?
    4. ¿Es el campo magnético de la Tierra paralelo al suelo en todos los lugares? Si no es así, ¿dónde es paralelo a la superficie? Es su fuerza la misma en todos los lugares? Si no es así, ¿dónde es mayor?

    Glosario

    Campo magnético: la representación de las fuerzas magnéticas Campo B: otro término para campo magnético Líneas de campo magnético: la representación pictórica de la fuerza y la dirección de un campo magnético Dirección de las líneas de campo magnético: la dirección a la que apunta el extremo norte de la aguja de una brújula

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