Fundamentos del Magnetismo y la Inducción Electromagnética

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El Solenoide y su Campo Magnético

El campo magnético en el exterior de un solenoide es muy pequeño comparado con el campo magnético de su interior. Por ello, consideramos que el campo magnético en el exterior es nulo. El campo en el interior tiene la dirección del eje del solenoide, dependiendo su sentido de la corriente. Desempeña en el magnetismo un papel análogo al de un condensador de placas paralelas, ya que el campo magnético en su interior es intenso y uniforme.

Clasificación de Materiales Magnéticos

Materiales Paramagnéticos

Al aplicar un campo magnético externo, una pequeña fracción de dipolos atómicos se orientan en el sentido del campo magnético (B) exterior, lo cual incrementa la intensidad de este. El paramagnetismo aumenta al disminuir la temperatura, siendo máximo cerca del cero absoluto.

Materiales Diamagnéticos

Las sustancias diamagnéticas reaccionan ante un campo magnético externo creando otro en sentido contrario que tiende a neutralizarlo. Se orientan en contra del campo magnético (B) exterior.

Materiales Ferromagnéticos

Para los materiales ferromagnéticos, distinguimos:

  • Imán permanente: En el acero, la ordenación de los dominios persiste incluso cuando hemos eliminado el campo magnético exterior.
  • Imán temporal: En el hierro dulce, cuando el campo magnético (B) exterior desaparece, los dominios vuelven a sus posiciones iniciales.

Para cada material ferromagnético existe una temperatura de Curie, por encima de la cual el material deja de comportarse como ferromagnético y se transforma en paramagnético.

Ley de Gauss para el Magnetismo

Esta ley establece una diferencia fundamental entre las líneas de campo eléctrico y las líneas de campo magnético. Las primeras comienzan y terminan en las cargas eléctricas, mientras que las segundas son líneas cerradas. El flujo magnético a través de cualquier superficie cerrada es siempre cero, de lo cual se deduce que no existen polos magnéticos aislados (monopolos magnéticos).

Inducción Electromagnética

Experimento de Faraday: Cierre y Apertura de un Circuito

La inducción de corriente eléctrica en un circuito es debida a campos magnéticos variables.

Concepto de Inducción Electromagnética

Consiste en la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cuando varía el número de líneas de inducción magnética que lo atraviesan, es decir, cuando el campo magnético (B) es variable.

Flujo de Campo Magnético

El flujo de campo magnético a través de una superficie es el número de líneas de inducción que atraviesan dicha superficie.

En una superficie cualquiera:

  • Flujo > 0 si las líneas de inducción magnéticas en su mayoría salen de la superficie.
  • Flujo < 0 si las líneas de inducción magnéticas en su mayoría entran en la superficie.

Las líneas de campo eléctrico parten de cargas positivas y terminan en cargas negativas. Sin embargo, las líneas de inducción magnéticas son cerradas. El flujo magnético a través de cualquier superficie cerrada es siempre 0. De ello se deduce que no hay polos magnéticos aislados.

Leyes Fundamentales de la Inducción Electromagnética

Ley de Lenz

El sentido de la corriente eléctrica inducida es tal que se opone a la causa que la produce.

Ley de Faraday

La fuerza electromotriz (fem) inducida es proporcional a la variación del flujo magnético e inversamente proporcional al tiempo invertido en dicha variación. El signo negativo indica que la fem se opone a la variación del flujo.

Experiencia de Henry: Conductor en Movimiento en un Campo Magnético

Un campo magnético variable induce una fem. La acumulación de carga negativa en el extremo inferior y de positiva en el superior genera un campo eléctrico (E) a lo largo del conductor. El extremo inferior está a un potencial (V) menor que el superior, y la dirección y sentido del campo eléctrico será hacia potenciales decrecientes.

Ahora, si acoplamos los extremos del conductor a un circuito: Al moverse el conductor, aumenta el flujo magnético a través de la espira. Por la Ley de Lenz, la corriente inducida (I) gira en el sentido contrario a las agujas del reloj, ya que de esta manera genera un campo magnético (B) inducido con sentido contrario al inductor. Sobre el conductor aparece una fuerza magnética que se opone al avance del conductor.

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