CAMPO
MAGNETICO
Líneas mostrando el campo magnético de un imán de barra,
producidas por limaduras de hierro sobre papel.
Un campo magnético es una descripción matemática de la
influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales
magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos
valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial.
Específicamente, el campo magnético es un vector axial, como lo son los
momentos mecánicos y los campos rotacionales. El campo magnético es más
comúnmente definido en términos de la fuerza de Lorentz ejercida en cargas
eléctricas. Campo magnético puede referirse a dos separados pero muy
relacionados símbolos B y H.
Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga
eléctrica en movimiento y el momento magnético intrínseco de las partículas
elementales asociadas con una propiedad cuántica fundamental, su espin. En la
relatividad especial, campos eléctricos y magnéticos son dos aspectos interrelacionados
de un objeto, llamado el tensor electromagnético. Las fuerzas magnéticas dan
información sobre la carga que lleva un material a través del efecto Hall. La
interacción de los campos magnéticos en dispositivos eléctricos tales como
transformadores es estudiada en la disciplina de circuitos magnéticos.
Fuerza de Lorentz
Artículo principal: Fuerza de Lorentz
Entre las definiciones de campo magnético se
encuentra la dada por la fuerza de Lorentz. Esto sería el efecto generado por
una corriente eléctrica o un imán, sobre una región del espacio
en la que una carga eléctrica puntual de valor (q), que
se desplaza a unavelocidad (v) , experimenta
los efectos de una fuerza que es perpendicular y
proporcional tanto a la velocidad (v) como al campo (B).
Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente ecuación.
donde F es la fuerza magnética, v es
la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción
magnética y densidad de flujo magnético. (Nótese que tanto F como v y B son
magnitudes vectoriales y el producto vectorial tiene como
resultante un vector perpendicular tanto a v como a B).
El módulo de la fuerza resultante será:
La existencia de un campo magnético se pone de relieve
gracias a la propiedad (la cual la podemos localizar en el espacio) de orientar
un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar
libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo
magnético terrestre puede ser considerada un magnetómetro.
Historia
Si bien algunos materiales magnéticos han sido conocidos
desde la antigüedad, como por ejemplo el poder de atracción que la magnetita ejerce
sobre el hierro, no fue sino hasta el siglo XIX cuando la relación
entre la electricidad y el magnetismo quedó plasmada, pasando ambos
campos de ser diferenciados a formar el cuerpo de lo que se conoce como
electromagnetismo.
Antes de 1820, el único magnetismo conocido era el del
hierro. Esto cambió con un profesor de ciencias poco conocido de la Universidad
de Copenhague Dinamarca Hans Christian Oersted. En 1820 Oersted
preparó en su casa una demostración científica a sus amigos y estudiantes.
Planeó demostrar el calentamiento de un hilo por una corriente eléctrica y
también llevar a cabo demostraciones sobre el magnetismo, para lo cual dispuso
de una aguja de brújula montada sobre una peana de madera.
Mientras llevaba a cabo su demostración eléctrica, Oersted
notó para su sorpresa que cada vez que se conectaba la corriente eléctrica, se
movía la aguja de la brújula. Se calló y finalizó las demostraciones, pero en
los meses sucesivos trabajó duro intentando explicarse el nuevo fenómeno.¡Pero
no pudo! La aguja no era ni atraída ni repelida por ella. En vez de eso tendía
a quedarse en ángulo recto Hoy sabemos que esto es una prueba fehaciente
de la relación intrínseca entre el campo magnético y el campo eléctrico
plasmada en las ecuaciones de Maxwell
Como ejemplo para ver la naturaleza un poco distinta del
campo magnético basta considerar el intento de separar el polo de un imán.
Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce" sus dos polos.
Si ahora volvemos a partir otra vez en dos, nuevamente tendremos cada trozo con
dos polos norte y sur diferenciados. En magnetismo no existen los monopolos
magnéticos
Nombre
El nombre de campo magnético o intensidad
del campo magnético se aplica a dos magnitudes:
- La excitación
magnética o campo H es la primera de ellas,
desde el punto de vista histórico, y se representa con H.
- La inducción
magnética o campo B, que en la actualidad se
considera el auténtico campo magnético, y se representa con B.
Desde un punto de vista físico, ambos son equivalentes en el
vacío, salvo en una constante de proporcionalidad (permeabilidad que depende
del sistema de unidades: 1 en el sistema de Gauss,
en
el SI. Solo se diferencian en medios materiales con el fenómeno de la magnetización
Uso
El campo H se ha considerado
tradicionalmente el campo principal o intensidad de campo magnético, ya que se
puede relacionar con unas cargas, masas o polos
magnéticos por medio de una ley similar a la de Coulomb para la
electricidad. Maxwell, por ejemplo, utilizó este enfoque, aunque aclarando que
esas cargas eran ficticias. Con ello, no solo se parte de leyes similares en
los campos eléctricos y magnéticos (incluyendo la posibilidad de definir un potencial
escalar magnético sino que en medios materiales, con la equiparación matemática
de H con E, por un lado, y de B con D,
por otro, se pueden establecer paralelismos útiles en las condiciones de
contorno y las relaciones termodinámicas; las fórmulas correspondientes en el sistema
electromagnético de Gauss son:
En electrotecnia no es raro que se conserve este punto de
vista porque resulta práctico.
Con la llegada de las teorías del electrón de Lorentz y
Poincaré, y de la relatividad de Einstein, quedó claro que estos paralelismos no
se corresponden con la realidad física de los fenómenos, por lo que hoy es
frecuente, sobre todo en física, que el nombre de campo magnético se
aplique a B (por ejemplo, en los textos de Alonso-Finn y de
Feynman).1 En
la formulación relativista del electromagnetismo, E no se
agrupa con H para el tensor de intensidades, sino con B.
En 1944, F. Rasetti preparó un experimento para dilucidar
cuál de los dos campos era el fundamental, es decir, aquel que actúa sobre una
carga en movimiento, y el resultado fue que el campo magnético real era B y
no H.2
Para caracterizar H y B se
ha recurrido a varias distinciones. Así, H describe cuan
intenso es el campo magnético en la región que afecta, mientras que B es
la cantidad de flujo magnético por unidad de área que aparece en esa misma
región. Otra distinción que se hace en ocasiones es que H se
refiere al campo en función de sus fuentes (las corrientes eléctricas) y B al
campo en función de sus efectos (fuerzas sobre las cargas).
Fuentes del campo magnético
Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de
ellas es una corriente eléctrica de conducción, que da lugar a un
campo magnético estático, si es constante. Por otro lado una corriente de
desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso aunque
aquella sea estacionaria.
La relación entre el campo magnético y una corriente
eléctrica está dada por la ley de Ampère El caso más general, que incluye
a la corriente de desplazamiento, lo da la ley de Ampère-Maxwell
Campo magnético producido por una carga puntual
El campo magnético generado por una única carga en
movimiento (no por una corriente eléctrica) se calcula a partir de la siguiente
expresión:
Donde .
Esta última expresión define un campo vectorial solenoida, para
distribuciones de cargas en movimiento la expresión es diferente, pero puede
probarse que el campo magnético sigue siendo un campo solenoidal.
Campo magnético producido por una distribución de cargas
- La
inexistencia de cargas magnéticas lleva a que el campo magnético es un campo
solenoidal lo que lleva a que localmente puede ser derivado de un potencial
vector
, es decir:
A su vez este potencial vector puede ser relacionado con el
vector densidad de corriente mediante la relación:
La ecuación anterior planteada sobre 
, con una
distribución de cargas contenida en un conjunto compacto, la solución es
expresable en forma de integral. Y el campo magnético de una distribución de
carga viene dado por:
, con una
distribución de cargas contenida en un conjunto compacto, la solución es
expresable en forma de integral. Y el campo magnético de una distribución de
carga viene dado por:
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