Electromagnetismo: Fuerzas y Campos Magnéticos Generados por Cargas Eléctricas

Fundamentos del Electromagnetismo: Campos y Fuerzas

Una carga eléctrica genera un campo eléctrico. Sin embargo, solo produce un campo magnético cuando está en movimiento. Este campo magnético, a su vez, ejerce una fuerza sobre otra carga en movimiento.

Ley de Lorentz

La fuerza que un campo magnético ejerce sobre una carga q que se mueve con una velocidad v es proporcional a la carga, a la velocidad y a la intensidad del campo magnético. Esta relación se describe mediante la Ley de Lorentz:

F = q(v x B)

• La dirección de esta fuerza es perpendicular al plano formado por v y B.
• El sentido de la fuerza coincide con el de v y B si la carga q es positiva, y es el contrario si q es negativa.

Fuerzas entre Corrientes Paralelas

André-Marie Ampère investigó las fuerzas magnéticas mutuas entre dos corrientes eléctricas paralelas. Observó que si las corrientes tenían el mismo sentido, los conductores se atraían; en cambio, si las corrientes eran de sentidos opuestos, los conductores se repelían.

El vector B1 es perpendicular al conductor 2. Por lo tanto, la fuerza que ejerce el conductor 1 sobre el conductor 2 es: F12 = I⋅l2B1, donde B1 se define por una expresión específica.

La fuerza ejercida por el conductor 2 sobre el conductor 1, F21, posee el mismo módulo y dirección, pero sentido opuesto, ya que estas fuerzas obedecen el principio de acción y reacción:

F12 = −F21

Así, la fuerza experimentada por los conductores por unidad de longitud se obtiene sustituyendo B1 en la expresión de la fuerza:

Amperio: La Unidad de Corriente Eléctrica

La unidad de corriente eléctrica en el Sistema Internacional (SI) es el amperio (A), nombrada en honor a A.M. Ampère. Un amperio se define como la corriente eléctrica que, circulando en sentidos opuestos por dos conductores rectilíneos paralelos separados un metro, genera una fuerza de repulsión de 2×10⁻⁷ N/m entre ellos.

Experiencia de Oersted

El experimento crucial que unificó la electricidad y el magnetismo, dando origen al electromagnetismo, fue realizado por Hans Christian Ørsted. Ørsted descubrió que las corrientes eléctricas generan campos magnéticos. En su experimento, observó que una corriente eléctrica que circula por un hilo conductor recto provoca la desviación de una aguja magnética. La aguja gira y se posiciona perpendicular a la corriente. La desviación es mayor al aumentar la intensidad de la corriente. En ausencia de corriente eléctrica, la aguja se alinea naturalmente con el campo magnético terrestre.

Ley de Biot y Savart

Consideremos un pequeño elemento de conductor de longitud dl por el que circula una intensidad I. Calcularemos su contribución al campo magnético en un punto cualquiera del espacio. Para describir circuitos de diversas formas, asignamos a dl un carácter vectorial: es un vector con la dirección y sentido de la intensidad de la corriente en el elemento conductor. El producto I⋅dl se denomina elemento de corriente.

El campo magnético creado por un elemento de corriente I⋅dl en un punto P del espacio se rige por la Ley de Biot y Savart:

Campo Magnético Creado por una Corriente Rectilínea

La intensidad del campo magnético (B) se calcula mediante la fórmula B = μ₀I / (2πa), donde μ₀ es la permeabilidad magnética en el vacío y su valor es 4π×10⁻⁷ N⋅A⁻². El campo se mide en teslas (T).

• Las líneas de campo son circunferencias concéntricas al hilo, situadas en un plano perpendicular a este.
• El sentido se determina mediante la regla de la mano derecha.
• El vector campo magnético es tangente a las líneas de campo y sigue su sentido.
• La intensidad del campo magnético es directamente proporcional a la intensidad de la corriente e inversamente proporcional a la distancia (r) al conductor.

Campo Magnético Creado por una Espira Circular

Una espira es un circuito eléctrico cerrado, comúnmente de forma rectangular o circular. En el caso de una bobina o solenoide, que consiste en una serie de espiras iguales y equidistantes, el campo magnético generado es más intenso.

• Las líneas de campo del campo creado por la corriente en una espira son curvas cerradas que emergen por una cara de la espira y entran por la opuesta.
• La dirección del campo es perpendicular al plano de la espira.
• El sentido se determina por la regla de la mano derecha.
• El campo magnético en el centro de una espira circular se calcula como: B = μ₀I / (2R)

Por analogía con los imanes, se denomina cara norte de la espira a aquella por la que emergen las líneas de campo, y cara sur a la cara por la que entran.