Imanes y campo magnético: tipos, fuerza de Lorentz y magnetismo de la materia

Imanes y campo magnético

Se denomina imán a toda sustancia que posee o ha adquirido la propiedad de atraer el hierro. Normalmente, son barras imantadas de forma geométrica regular y alargada.

Tipos de imanes

1. Naturales

La magnetita es un imán natural potente que tiene la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas. Su característica de atraer trozos de hierro es natural. Está compuesta por óxido de hierro. Las sustancias magnéticas que son atraídas por la magnetita se denominan así.

2. Artificiales permanentes

Son las sustancias magnéticas que, al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes y conservan durante mucho tiempo su propiedad de atracción.

3. Artificiales temporales

Son aquellos que producen un campo magnético sólo cuando circula por ellos una corriente eléctrica. Un ejemplo es el electroimán.

Interacción entre imanes

Los polos magnéticos del mismo nombre se repelen; los de distinto nombre se atraen.

Si se rompe un imán, cada uno de los trozos se comporta como un nuevo imán, y presenta sus propios polos norte y sur.

Cuando se aproxima una aguja imantada o brújula a un imán, el polo sur de la aguja se orienta hacia el polo norte debido a la atracción entre ambos.

Es imposible separar los polos de un imán.

Campo magnético

El campo magnético es la región del espacio en la que actúa la fuerza sobre la aguja imantada o sobre un imán.

Un imán altera el espacio a su alrededor: pequeñas agujas imantadas o trozos de hierro son atraídos por el imán, pero no experimentan ningún efecto en ausencia del mismo.

Los campos magnéticos se representan mediante líneas de fuerza. El campo es más intenso en las regiones próximas a las líneas de fuerza: los polos.

Fuerza de Lorentz

Cuando una carga eléctrica en movimiento se desplaza en una zona donde existe un campo magnético, además de los efectos regidos por la ley de Coulomb, se ve sometida a la acción de una fuerza.

Supongamos que una carga q se desplaza a la velocidad v, en el interior de un campo magnético B. Este campo genera que aparezca la fuerza F, que actúa sobre la carga q, de manera que podemos evaluar dicha fuerza mediante la expresión:

F = q·v·B.

Como la fuerza es el resultado de un producto vectorial, será perpendicular a los factores, es decir, a la velocidad y al campo magnético. Al ser perpendicular a la velocidad de la carga, también lo es a su trayectoria, por lo cual dicha fuerza no realiza trabajo sobre la carga, lo que supone que no hay cambio de energía cinética, o lo que es lo mismo, no cambia el módulo de la velocidad. La única acción que se origina, cuando la partícula entra en el campo magnético, es la variación de la dirección de la velocidad, manteniéndose constante el módulo.

Fuerzas magnéticas

Fuerza magnética sobre una corriente rectilínea

Una carga en movimiento en presencia de un imán experimenta la fuerza magnética F_m que desvía su trayectoria. Dado que la corriente eléctrica supone un movimiento continuado de cargas, un conductor por donde circula corriente sufrirá, por la acción de un campo magnético, el efecto conjunto de las fuerzas magnéticas que se ejercen sobre las distintas cargas móviles de su interior.

Si la corriente es rectilínea y de longitud l, la expresión de la fuerza magnética toma la forma:

F_m = I·B·l·sen θ

donde I es la intensidad de corriente, B la intensidad de campo y θ el ángulo que forma la corriente con el vector campo. La anterior ecuación, conocida como ley de Laplace, se puede obtener experimentalmente; también puede deducirse de la expresión F_m = I·B·l para θ = 90°.

La dirección y sentido de la fuerza magnética F_m se obtienen aplicando la regla de la mano izquierda: con el dedo pulgar representando la dirección de la fuerza magnética F_m, el índice el campo magnético B y el dedo corazón la corriente I.

Fuerza magnética sobre una espira rectangular

Una espira con forma rectangular por la que circula corriente, cuando se sitúa en el interior de un campo magnético, como el producido por un imán de herradura, sufre un conjunto de acciones magnéticas que producen un movimiento de giro o rotación, hasta situarla dispuesta paralelamente a la dirección del campo B (o dirección de las líneas de fuerza).

La aplicación de la ley de Laplace a cualquiera de los segmentos verticales de longitud a da lugar a la expresión M = B·I·S·sen α, donde S es la área de la espira. Cuando la espira al girar se orienta paralelamente al campo, α se hace cero y el momento M resulta nulo, lo que explica que esta orientación sea la de equilibrio.

Galvanómetro de cuadro móvil

Formado por una bobina situada en un campo magnético. La bobina gira al circular la corriente eléctrica y lleva acoplado un resorte que se opone a su giro. Cuando el giro de la bobina se equilibra con la oposición ejercida por el resorte, la bobina se detiene en un cierto ángulo, que depende de la intensidad de la corriente eléctrica.

Características:

• La intensidad máxima o valor de la intensidad de la corriente eléctrica.
• La resistencia interna.

Tiene 2 utilidades:

• Amperímetro: utilizado para medir directamente la intensidad de corriente.
• Voltímetro: se le acopla una resistencia en serie.

Campo magnético debido a una corriente rectilínea

La repetición de la experiencia de Hans Christian Oersted con ayuda de limaduras de hierro dispuestas sobre una cartulina perpendicular al hilo conductor rectilíneo, pone de manifiesto la estructura de líneas de fuerza del campo magnético resultante, formando circunferencias concéntricas que rodean al hilo. Su sentido puede relacionarse con el convencional de la corriente sustituyendo las limaduras por pequeñas brújulas. En tal caso se observa que el polo norte de cada brújula —que apunta siempre en el sentido del vector intensidad de campo B— se corresponde con la indicación de los dedos de la mano derecha semicerrada en torno a la corriente, cuando el pulgar apunta en el sentido de dicha corriente. Esta es la regla de la mano derecha, que permite relacionar el sentido de una corriente rectilínea con el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético B creado.

Experiencias más detalladas indican que la intensidad del campo B depende de las características del medio que rodea a la corriente rectilínea, siendo tanto mayor cuanto mayor es la intensidad de corriente I y cuanto menor es la distancia r al hilo conductor. Todo lo cual queda englobado en la ecuación:

B = μ·I / (2·π·r)

μ representa una constante característica del medio que recibe el nombre de permeabilidad magnética. En el vacío su valor es μ₀ = 4·π·10^-7 T·m/A.

Campo magnético debido a una espira circular

El estudio del espectro magnético debido a una corriente circular, completado con la información que sobre el sentido del campo creado ofrecen pequeñas brújulas, indica que las líneas de fuerza del campo se cierran en torno a cada porción de la espira como si ésta consistiera en la reunión de pequeños tramos rectilíneos. En conjunto, el espectro magnético resultante se parece mucho al de un imán recto con sus polos norte y sur. La cara norte de una corriente circular, considerada como un imán, es aquella de donde salen las líneas de fuerza y la cara sur aquella otra a donde llegan dichas líneas.

La relación entre la polaridad magnética de una espira y el sentido de la corriente que circula por ella la establece la regla de la mano derecha de la que se deriva esta otra: una cara es norte cuando un observador situado frente a ella ve circular la corriente (convencional) de derecha a izquierda, y es sur en el caso contrario.

La experimentación sobre los factores que influyen en el valor de la intensidad de campo B en el interior de la espira muestra que éste depende de las propiedades del medio que rodea la espira (reflejadas en su permeabilidad magnética μ), de la intensidad de corriente I y del valor del radio r de la espira, en la forma dada por la siguiente ecuación:

B = μ·I / (2·r)

El origen del magnetismo natural

El hecho de que los campos magnéticos producidos por imanes fueran semejantes a los producidos por las corrientes eléctricas llevó a Ampère a explicar el magnetismo natural en términos de corrientes eléctricas. Según este físico francés, en el interior de los materiales existirían corrientes eléctricas microscópicas circulares de resistencia nula y, por tanto, de duración indefinida; cada una de estas corrientes produciría un campo magnético elemental y la suma de todos ellos explicaría las propiedades magnéticas de los materiales.

La imanación del hierro fue explicada por Ampère de la siguiente forma: en este tipo de materiales, el campo magnético exterior podría orientar las corrientes elementales paralelamente al campo, de modo que al desaparecer éste quedarían ordenadas como en un imán.

De acuerdo con los conocimientos actuales sobre la composición de la materia, los electrones en los átomos se comportan efectivamente como pequeños anillos de corriente. Junto a su movimiento orbital en torno al núcleo, cada electrón efectúa una especie de rotación en torno a sí mismo denominada espín; ambos pueden contribuir al magnetismo de cada átomo y todos los átomos al magnetismo del material. En la época de Ampère se ignoraba la existencia del electrón; su hipótesis de las corrientes circulares se adelantó en tres cuartos de siglo a la moderna teoría atómica, por lo que puede ser considerada como una genial anticipación científica.

Fenómenos magnéticos de la materia

Al someter la materia a un campo exterior se presentan tres fenómenos magnéticos:

• Diamagnetismo: consiste en la variación del radio y de la velocidad de giro de las cargas de los átomos, con lo que varía el momento magnético de estos. Este fenómeno se presenta en todos los átomos, pero se aprecia cuando el número de electrones es grande y dispuesto con una simetría tal que el momento magnético del átomo no es nulo. El campo magnético en el interior de estos cuerpos es menor. Los materiales diamagnéticos se caracterizan por ser difícilmente o nada imantables.
• Paramagnetismo: este fenómeno se presenta cuando en las sustancias el momento magnético del átomo no es nulo, está en todas las direcciones, por lo que las sustancias aparecen como no magnéticas; pero en presencia de un campo exterior se ordenan de forma que refuerzan la acción de este y presentan susceptibilidad >1. Este fenómeno depende de la agitación térmica de las moléculas y por lo tanto de la temperatura. Los materiales paramagnéticos son fácilmente magnetizables.
• Ferromagnetismo: se presentan en sólidos interatómicos suficientemente grandes como para producir un alineamiento de los momentos atómicos de un conjunto de átomos próximos, que se ordenan al someterlos a un campo exterior como sucede en el paramagnetismo.