Interacción de Cargas y Campos Magnéticos: Origen y Aplicaciones

Movimiento de partículas cargadas en el seno de campos eléctricos

Dado que el campo eléctrico es conservativo, la energía mecánica de una partícula que se mueve dentro de un campo eléctrico permanece constante. Para partículas pequeñas (electrones, protones, etc.), las fuerzas gravitatorias son totalmente despreciables frente a las fuerzas eléctricas, por lo que en el término de energía potencial se incluye solo la electrostática. Si una partícula se desplaza desde A hasta B, podemos escribir: Ema = Emb, donde 1/2mv²=qV.

Origen del campo magnético. La experiencia de Oersted

Los fenómenos magnéticos se conocen desde la Antigüedad y su nombre se debe a la magnetita, mineral de la región de Magnesia, que es una mezcla de óxidos de hierro con la propiedad de atraer a algunos metales (Fe, Co, Ni, Cd). La primera aplicación de los imanes naturales es la brújula, con la propiedad de orientarse en la dirección N-S. Se distinguen dos polos en un imán, llamados norte y sur por la razón anterior.

El polo norte del imán apunta al polo norte terrestre y el polo sur del imán apunta al polo sur terrestre (aproximadamente, declinación magnética). La Tierra es un imán. Polos iguales se repelen, polos distintos se atraen (analogía con la electrostática). Los polos magnéticos no se aíslan. Si rompemos un imán, obtenemos dos. Un imán crea a su alrededor una perturbación que llamamos “campo magnético”, que se manifiesta porque aparecen fuerzas sobre otros imanes colocados allí. Las líneas de campo son tangentes al vector campo en cada punto, son cerradas ya que salen del polo N y entran por el S (pequeñas brújulas alrededor de un imán se orientan de esa manera). Hasta 1820 se pensó que los fenómenos magnéticos y los eléctricos eran totalmente independientes. Fue en ese año cuando el danés C. Oersted puso de manifiesto su relación al observar casualmente cómo una corriente eléctrica desviaba la brújula. Una corriente eléctrica crea un campo magnético. Posteriormente se observaron fuerzas ejercidas por imanes sobre corrientes y fuerzas entre corrientes eléctricas.

Todo ello llevó a admitir que las fuerzas magnéticas tienen su origen en la interacción entre cargas en movimiento. Una carga en movimiento crea un campo magnético que actúa sobre otra carga en movimiento. En los imanes hay cargas en movimiento, momentos magnéticos no nulos debido a espines orientados por zonas denominadas dominios.

Campos creados por corrientes eléctricas

Vamos a introducir directamente, para su aplicación en problemas, el campo magnético creado por algunas distribuciones sencillas de corriente.

Corriente rectilínea e indefinida

El campo creado por una corriente rectilínea indefinida en un punto P, es proporcional a la intensidad de corriente e inversamente proporcional a la distancia, y su dirección es tangencial en el plano perpendicular a la corriente. La magnitud del campo magnético se calcula con la siguiente fórmula: B= (μ₀I)/(2πd), donde μ₀ es la permeabilidad del vacío.

Campo creado por una espira circular

El campo creado por una corriente circular es más intenso dentro de la espira que fuera, ya que las contribuciones de todos los elementos de corriente van en el mismo sentido, algo que no ocurre fuera. La magnitud del campo magnético en el centro de la espira se calcula con la siguiente fórmula: B= (μI)/2R, donde μ es la permeabilidad del medio y R es el radio de la espira.

Solenoide

Un solenoide es una bobina formada por un arrollamiento de hilo conductor. El campo en su interior es prácticamente uniforme y más intenso que en el exterior. Desde fuera es semejante al campo creado por un imán de barra. En su interior el campo vale: B=(μ₀)nI, siendo I la intensidad que lo recorre y n el número de espiras por unidad de longitud. Si en su interior se coloca un núcleo de hierro, el campo aumenta, ya que la permeabilidad del hierro es mayor que la del vacío.

El campo magnético es una magnitud vectorial y como tal se debe sumar cuando se quiera determinar el producido por varias fuentes.