Fundamentos del Campo Magnético: Interacciones y Aplicaciones Físicas

Campo Magnético: Conceptos Fundamentales

Imanes y Propiedades del Magnetismo

Los imanes presentan **propiedades magnéticas**, con **máxima atracción o repulsión** en sus extremos, denominados **polos**. Cada imán siempre tiene **dos polos**, un polo norte (N) y un polo sur (S), que no pueden separarse; siempre existen en pares. Los **polos opuestos se atraen** (N-S), mientras que los **polos iguales se repelen** (N-N o S-S).

Líneas de Campo Magnético

Las **líneas de campo magnético** se consideran **salientes del polo norte (PN)** y **entrantes al polo sur (PS)**. Son **líneas cerradas** y continuas. Son **tangentes al vector de inducción magnética B** en cada punto. Los vectores de campo magnético (B) cumplen una función análoga a los vectores de campo gravitatorio (g) o campo eléctrico (E) en sus respectivos campos. La **unidad** de medida del campo magnético en el Sistema Internacional es el **Tesla (T)**.

Magnetismo Terrestre

La **intensidad del campo magnético terrestre** es relativamente **pequeña**, aproximadamente **5 x 10^-5 T** en los polos.

Campos Magnéticos Creados por Corrientes: Electromagnetismo

Fue **Oersted** quien descubrió que las **corrientes eléctricas producen campos magnéticos**. Aunque la **Ley de Coulomb** describe la interacción entre cargas eléctricas, es el **movimiento de cargas** lo que genera un campo magnético. La **interacción** entre campos eléctricos y magnéticos en movimiento da origen al **electromagnetismo**. **Ampere** demostró que entre dos conductores cercanos que transportan corriente se establecen **fuerzas de atracción o repulsión magnéticas**.

Relación entre Campo Magnético y sus Fuentes

Para calcular el campo magnético (CM), se utiliza la **Ley de Ampere**, que relaciona el campo con sus fuentes (las corrientes eléctricas). Al aplicar esta ley en un CM creado por conductores, se elige una **línea cerrada arbitraria (c)**. Las **intensidades de corriente** que atraviesan esta línea se consideran positivas si su sentido coincide con la dirección de integración.

Acción de un Campo Magnético sobre una Carga en Movimiento: Ley de Lorentz

Cuando una **carga eléctrica (q)** se mueve con **velocidad (v)** en una región donde existe un **campo magnético (B)**, experimenta una **fuerza magnética** que la desvía lateralmente. Esta fuerza, conocida como **Fuerza de Lorentz**, se calcula mediante la expresión: F = q(v x B). Su **módulo** es **F = qvBsenθ**, donde θ es el ángulo entre el vector velocidad (v) y el vector campo magnético (B). La fuerza es siempre **perpendicular al plano** formado por v y B, y su **sentido depende del signo de la carga**. Si el ángulo θ es de **90 grados**, la fuerza es **máxima**. La fuerza total sobre una carga en movimiento en presencia de campos eléctrico y magnético es la **Fuerza de Lorentz completa**: F = qE + q(v x B).

Movimiento de Partículas Cargadas en un Campo Magnético: Aplicaciones de la Ley de Lorentz

Cuando una partícula cargada entra en un campo magnético, la **fuerza de Lorentz** actúa de forma **perpendicular** a su velocidad y al campo magnético. Dado que esta fuerza es perpendicular a la velocidad, no realiza trabajo sobre la partícula, por lo que su **módulo de velocidad permanece constante**, pero sí **cambia la dirección de la velocidad**. Si la velocidad es perpendicular al campo, la partícula describe un **Movimiento Circular Uniforme (MCU)**. En un campo magnético, las fuerzas sobre cargas positivas y negativas son opuestas, lo que permite **separar partículas** según su carga. Las partículas con la **misma carga específica (q/m)** tendrán la misma **velocidad angular (ω)**. La **frecuencia, el periodo y la velocidad angular (ω)** de este movimiento dependen de la **carga específica (q/m)** de la partícula y de la **intensidad del campo magnético (B)**.

Acción de un Campo Magnético sobre una Corriente Eléctrica

Una **corriente eléctrica** consiste en un flujo de electrones con una velocidad de arrastre promedio. Cada electrón individual experimenta una **fuerza magnética** cuando el conductor se encuentra inmerso en un campo magnético. La **resultante de estas fuerzas individuales** es la fuerza total que actúa sobre el conductor. Para un segmento de conductor de longitud **l** por el que circula una corriente **I** en un campo magnético **B**, la fuerza magnética se calcula como: F = I(l x B). Esta expresión es una consecuencia directa de la Ley de Lorentz aplicada a un conjunto de cargas en movimiento y es conocida como la **Segunda Ley de Laplace**. El vector **l** tiene la dirección y el sentido de la intensidad de corriente.

Interacción entre Corrientes Rectilíneas, Paralelas e Indefinidas

Las **propiedades de interacción** entre dos conductores rectilíneos, paralelos e indefinidos son las siguientes:

• Si las **corrientes circulan en el mismo sentido**, los conductores **se atraen**.
• Si las **corrientes circulan en sentidos contrarios**, los conductores **se repelen**.

Esta interacción de fuerzas de atracción o repulsión entre conductores paralelos se utiliza como **criterio para definir la unidad de intensidad de corriente en el Sistema Internacional (SI)**.

Definición del Amperio (A)

El **Amperio (A)** se define como la intensidad de corriente constante que, mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y colocados a una distancia de **1 metro en el vacío**, produciría entre ellos una fuerza de **2 x 10^-7 Newtons por metro de longitud**.

Analogías entre Campo Eléctrico (CE) y Campo Magnético (CM)

• Ambos son **campos de fuerzas** y **campos vectoriales**.
• Su intensidad depende del **medio** en el que se encuentren, a través de constantes como la **permitividad eléctrica (ε)** y la **permeabilidad magnética (μ)**.
• Ambos campos pueden generar **fuerzas atractivas o repulsivas**.

Diferencias entre Campo Eléctrico (CE) y Campo Magnético (CM)

• El **campo eléctrico (CE)** es creado por **cargas eléctricas** (estén en reposo o en movimiento), mientras que el **campo magnético (CM)** es creado únicamente por **cargas eléctricas en movimiento** (corrientes eléctricas).
• El **CE interacciona** con cualquier otra **carga eléctrica**, mientras que el **CM interacciona** solo con **cargas eléctricas en movimiento**.
• Las **líneas de campo eléctrico** son **abiertas** (nacen en cargas positivas y mueren en negativas), mientras que las **líneas de campo magnético** son **cerradas**.
• En el CE, existen **cargas eléctricas separadas** (monopolos eléctricos), pero en el CM **no existen monopolos magnéticos** aislados (siempre hay un polo norte y un polo sur).
• El **CE es un campo conservativo** (el trabajo realizado por la fuerza eléctrica es independiente de la trayectoria), mientras que el **CM no es un campo conservativo**.