Electromagnetismo

Magnetismo

Introducción

Así como en la antigüedad se conocía la electricidad estática, también se conocía el magnetismo. De hecho, el término “magnetismo” proviene de las rocas que fueron encontradas en la antigua provincia griega de Magnesia unos 4000 años atrás; Lucretius, un poeta y filósofo romano, escribió sobre los imanes hace más de 2000 años. Los materiales magnéticos eran considerados incluso más especiales que los materiales eléctricos ya que salían de la tierra con su fuerza de atracción mientras que el ámbar tenía que ser frotado para generar su fuerza electrostática.

También muy temprano en la historia de la humanidad se percibió que si a una roca magnética se le daba la forma de una aguja y se la hacía flotar en la superficie del agua, siempre apuntaba en el mismo sentido. Ahora llamamos a esa dirección el “norte magnético”. Fue usado por marineros chinos más de 4000 años atrás para navegar. Como este sentido era siempre el mismo, independientemente de tu ubicación y en qué dirección viajabas, siempre era posible saber en qué dirección ibas navegando.

Hay una similitud importante entre la electricidad y el magnetismo. La carga eléctrica puede ser positiva o negativa; cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen. Los imanes tienen dos polos llamados “norte” y “sur”; polos iguales se repelen y polos diferentes se atraen.

Pero hay una diferencia clave también; mientras que es posible separar las cargas eléctricas positivas y negativas (eso es lo que pasa cuando frotas una varilla de plástico con un paño), es imposible separar los polos norte y sur. De hecho, un polo norte sólo puede existir en la presencia de un polo sur exactamente igual: “no hay monopolos magnéticos”. Si se corta un imán a la mitad, el resultado no es la separación de los polos norte y sur, sino la creación de más polos iguales y opuestos.

Líneas del campo magnético

La fuerza entre los imanes ocurre sin que los imanes se toquen; ocurre a distancia. Una buena forma de visualizar cómo funciona esto es pensar en cada imán creando un campo magnético. El campo magnético de un imán interactúa con el campo magnético de otro; cuando estos campos interactúan, generan una fuerza entre los imanes de forma que cada imán trata de orientarse para alinearse con el campo magnético del otro imán. Veamos cómo funciona.

Las limaduras de hierro pueden actuar como imanes pequeños. Cuando un imán es ubicado debajo de una hoja de papel y se esparcen las limaduras de hierro sobre la hoja, las limaduras rotan para alinearse con el campo del imán, tal como lo haría cualquier imán, y esto hace que el campo sea visible. Es exactamente lo que ves en esta imagen:

El campo parece salir de un polo y retornar al polo opuesto, formando un circuito completo cuando el imán está incluido. (Esto se ilustra en este dibujo de Física, de Giancoli.) Mientras que el circuito es claro, es arbitrario decidir de qué lado del imán sale el campo y por qué lado reingresa; por convención, se considera que el campo sale del polo norte y reingresa por el polo sur.

Sabemos que polos opuestos de atraen y que polos iguales se repelen; el polo sur de las limaduras rota para acercarse al polo norte del imán, mientras que los polos sur se orientan para alejarse entre sí. Esto se ve en la fotografía de abajo, que muestra las limaduras de hierro y las brújulas pequeñas: http://www.school-for-champions.com/science/images/magnetic_detection-iron_filings.jpg

Cada aguja de una brújula o limadura de hierro es un imán; cada aguja es paralela al campo magnético en esa ubicación en el espacio con su polo norte a lo largo de las líneas del campo en dirección al polo sur del imán. Hace esto porque minimiza la energía del sistema para tener campos magnéticos moviéndose en la misma dirección. Cualquier imán rotará en un campo magnético externo para que su campo se alinee con el campo externo. El campo que sale del polo norte del imán apunta en la misma

dirección del campo que sale del polo norte del imán grande que está generando el campo externo.

Si tienes dos imanes, es válido preguntar cuál crea el campo externo y cuál experimenta la fuerza magnética que hace que se alinee con ese campo externo. La respuesta es que cada imán crea el campo magnético y también responde al campo externo neto debido al otro imán (o el campo magnético neto debido a varios imanes). La fuerza magnética que actúa sobre un imán es igual y opuesta a la fuerza que el imán ejerce sobre el otro. Esto es un ejemplo más de la Tercera Ley de Newton; cada imán crea una fuerza sobre el otro y responde a la misma fuerza que actúa sobre él.

Los campos magnéticos son tan reales como cualquier otra cosa en la naturaleza, otros imanes o limaduras de hierro, aunque no pueden verse sin la ayuda de una brújula. En buena parte de este capítulo, veremos el efecto de los campos magnéticos en la naturaleza, independientemente de su fuente.

El campo magnético de la Tierra

La Tierra tiene un centro de hierro fundido que está rotando debido a la rotación general de nuestro planeta. Ese centro en rotación crea un campo magnético gigante que emerge cerca de uno de sus polos (definido por el eje de rotación de la Tierra) y reingresa cerca del polo opuesto. Este campo es de vital importancia para la vida en la Tierra porque desvía, de una forma que pronto explicaremos, los rayos cósmicos y los canaliza lejos de las latitudes medias; algunos pocos de ellos finalmente alcanzan la superficie del planeta y lo hacen cerca de los polos, no en las latitudes medias. (Algunos creen que para que la vida se desarrolle en un planeta tal como la conocemos, el planeta requiere de un campo magnético que ofrezca este tipo de protección).

Sabemos que el polo norte de una brújula apunta en la dirección que llamamos norte. Y sabemos que uno de esos polos geográficos de la Tierra estará cerca de polo magnético norte, y el otro estará cerca de un polo magnético sur, pero cuál es cuál. Mientras que pensaríamos que el polo geográfico norte de la Tierra sería el polo magnético norte, también sabemos que esto no puede ser así; si fuera así, el polo norte de una brújula apuntaría lejos de él y no hacia él. En realidad, el polo geográfico norte de la Tierra (basado en su eje de rotación) está muy cerca del polo magnético sur de la Tierra. El polo magnético sur de la Tierra está cerca de su polo geográfico norte.

Campos magnéticos uniformes

El campo magnético alrededor de una barra de imán varía en fuerza y dirección, como puedes ver en las fotografías de arriba. Al igual que para los campos eléctricos, la dirección del campo magnético es señalada por la dirección de las flechas que usamos para representarlo, y su fuerza está indicada por la densidad de las líneas del campo magnético. Mientras más cercanas se dibujen las líneas del campo, más fuerte será el campo en ese punto.

En el caso de un campo magnético uniforme, las líneas del campo son paralelas e igualmente espaciadas (lo mismo es válido para los campos eléctricos y los gravitacionales, como aprendimos antes). Por convención, las líneas de los campos siempre salen del polo norte y entran en el polo sur de un imán. Para crear un campo uniforme, una pequeña brecha es creada entre dos polos magnéticos opuestos relativamente grandes; el campo es luego constante entre los polos. En la práctica, hay una unión entre las líneas del campo hacia los bordes, pero eso puede ser descartado si la brecha es muy pequeña en comparación con el tamaño de los polos.

Una forma de crear un campo magnético más o menos uniforme es con un imán en forma de herradura. Un lado de la herradura es magnetizado para que sea el polo norte y el otro lado será el polo sur. En el espacio entre los polos, el campo B deja el norte y entra en el polo sur. Si los polos son grandes y están relativamente cerca, el campo entre ellos puede ser considerado uniforme.

Esta fotografía es de limaduras de hierro cerca de un imán con forma de herradura. Observa que directamente entre los dos lados de la herradura el campo es relativamente uniforme. No puede determinarse en esta fotografía cuál de los polos es norte y cuál es sur, pero sabemos que tienen igual y opuesta polaridad magnética (http://www.physics.ohio-state.ed/~yuri/112/ horse_shoe_magnet.jpg). Cuando trabajes con cualquier imán, siempre dibuja el campo desde el norte hacia el polo sur.

Corrientes eléctricas producen campos magnéticos

Uno de los más asombrosos descubrimientos del siglo XIX fue la relación entre la electricidad y el magnetismo. Previamente, estos se consideraban fenómenos independientes. Durante miles de años, las personas habían experimentados electricidad estática; de la misma forma, durante esos años, habían experimentado con imanes. La idea de que estaban relacionados no emergió hasta una afortunada coincidencia en 1820. Hans Christian Ortsted estaba preparando una clase de física sobre electricidad. Había diseñado un circuito eléctrico con una batería y un interruptor. Cuando activó el interruptor y la electricidad comenzó a circular por el cable, notó que una brújula que estaba cerca del cable rotaba, como si tratara de alinearse con el campo magnético, al igual que como rota una brújula cuando está cerca de una barra de imán, como se muestra en la fotografía de arriba. Había sólo una explicación: la corriente eléctrica estaba creando un campo magnético.

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