El magnetismo representa un tópico de suma importancia en el estudio de la electricidad. Ambos fenómenos no pueden separarse ya que siempre que aparece una corriente eléctrica, existe magnetismo debido a que las cargas en movimiento, es decir, la corriente eléctrica, se compotan como imanes produciendo campos magnéticos.
Cuando se habla de magnetismo, inevitablemente se tiene que mencionar a los imanes, los cuales son aquellos materiales que generan un campo magnético cuyo comportamiento pone de manifiesto que en ellos existe un par de zonas extremas o polos, donde la acción magnética es, más intensa; estos polos magnéticos no son iguales; para comprobarlo basta colocar dos imanes idénticos uno contra el otro, observando la existencia de atracción o repulsión mutua al aproximar sus polos. A estos polos se les denomina polo norte y polo sur. Esta similitud con los polos geográficos se basa en el hecho de que la tierra se comporta de manera similar a un gran imán.
Los imanes se comportan como las cargas eléctricas en el sentido de que sus polos se atraen o repelen, es decir, los polos del mismo tipo se repelen y los polos de distinto tipo se atren. Esta característica pone de manifiesto la similitud existente entre el magnetismo y la corriente eléctrica.
Otra característica de los imanes consiste en la imposiblidad de aislar sus polos magnéticos; es decir, si cortaras un imán recto en dos mitades, tendrías dos imanes con us respectivos polos norte y sur. Lo mismo sucederá si repites el procedimiento con cadauno de ellos. Por lo tanto, podemos concluir que no es posible obtener un imán con un solo polo magnético, al igual que no se puede tener un cuerpo cargado co electricidad de un solo signo.
Campo magnético
Como se mencionó anteriormente, alrededor de una carga eléctrica existe un campo eléctrico y de manera similar, alrededor de un imán existe un campo magnético, el cual es el espacio que rodea a un imán y donde se manifiestan las fuerzas de atracción o repulsión que éste ejerce, siendo el medio a través del cual se propagan los efectos magnéticos. Las fuerzas magnéticas son fuerzas de acción a distancia que permiten recurrir a la idea física de campo para descubrir la influencia de un imán. Al igual que en el caso del campo eléctrico, se recurre a la noción de líneas de fuerza para representar esta estructura.
Las líneas del campo magnético, al igual que las líneas del campo eléctrico, nunca se intersectan. cuando una carga en movimiento se encuentra en un campo magnético , de manera tal que su vector de velocidad tenga un componente perpendicular al campo, dicha partícula experimentará una fuerza. Esta fuerza es perpendicular a las direcciones del campo magnético y de la velocidad. Si fuese posible que las líneas del campo magnético se intersectaran, entonces habría una fuerza asociada a cada una de las dos líneas de campo y la particula se movería en dos direcciones. Puesto que la fuerza en una partícula siempre tiene una sola dirección, podemos concluir que las líneas de campo magnético no se pueden cruzar.
La intensidad del campo magnético, también conocida como inducción magnética, se representa por la letra B y es una cantidad vectorial con dirección y sentido expresados mediante las líneas de fuerza magnética. Una brújula, al alinearse a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético, indica la dirección y el sentido de la intensidad campo B. Para definirlo matemáticamente, es necesario analizar lo que le sucede a una carga eléctrica en movimiento en presencia de un campo magnético. Al considerar que dicha carga estuviese en reposo, no se apresiaría ninguna fuerza; sin embargo, si esta carga se mueve dentro de un campo magnético generado por un imán se observaque su trayectoria es curva, lo que indica que una fuerza magnética se está ejerciendo sobre ella. por lo tanto, la magnitud de campo magnético B en cualquier punto del espacio se expresa mediante la siguiente ecuación:
B= F
q0 (V sen ángulo)
En la ecuación anterior, F representa la magnitud de la fuerza magnética que se ejerce sobre una carga q0 a la 2 cuya velocidad V forma un ángulo ángulo (0 <- ángulo <- 180°) con el campo. La dirección de B es aquélla en la que debe desplazarse la carga para que la fuerza magnética sea nula, es decir, la de las líneas de fuerza. La unidad del campo magnético en el SI es el tesla (T), en honor a Nicola Tesla, la cual representa la intensidad que ha de tener un campo magnético para que una carga de 1 C, moviéndose en su interior a una velocidad de 1 m/s perpendicuarmente a la dirección del campo, experimente una fuerza magnética de 1 newton, es decir: 1 T = ! N/1 C x 1 m/s. A pesar de no ser una unidad del SI, en ocasiones se emplea el gaussn(G) para expresar al campo magnético, donde 1 gauss = 10 a la 4 T.
A partir de la primer ecuación se deduce que la fuerza magnética es mayor al aunmentar la magnitud de la carga y su sentido depende del signo de la misma; de igual forma, se aprecia que su valor aumentará si la velocidad de la carga aumenta.
Dado que la fuerza magnética, el campo magnético y la velocidad pueden ser sonsiderados como vectores, es necesario reunir en una regla lo concerniente a la relación entre sus direcciones y sentidos; como ya se mencionó, en una carga eléctrica positiva en movimiento dentro de un campo magnético, el vector F es perpendicular al plano formado por los vectores de v y B, donde su magnitud depende no sólo del valor de dicha carga y de su velocidad, sino también del ángulo que forman estos vectores, siendo máxima cuando los vectores son perpendiculares entre sí. Mediante lo que Cutnell llama la "Regla de la Mano Derecha No.1 podemos visualizar la dirección de estos tres componentes, donde el dedo medio apuntará hacia la dirección del campo magnético, mientras que el dedo índice identificará la dirección del campo, y el pulgar señalará la dirección de la fuerza.
Ejemplo:
En cierto punto, la componente horizontal del campo magnético terrestre es de 2.5 x 10 a la -5 T, hacia el norte. Imagina que un protón (m = 1.67 x 10 a la -27 kg y q= 1.6 x 10 a la -19 C) se mueve a una cierta velocidad hacia el este, de manera tal que el campo magnético terrestre balancea su peso. Determina la velocidad del protón.
Solución:
Considerando que el campo magnético terrestre apunta hacia el norte y el protón se mueve hacia el este, podemos decir que ángulo= 90 a la 0. Por otra parte, la segunda Ley de Newton expresa que F= ma, donde la aceleración, para fines de este problema, tomará el valor de la aceleración de la gravedad (9.81 m/s al 2). Despejando v de la ecuación tenemos:
v= mg = (1.67 x 10 a la -27 kg) (9.81 m/s a la 2) = 4.1 x 10 a la -3 m/s
B q0 senángulo (1.6 x 10 a la -19 C) (2.5 x 10 a la .5 T) sen 90°
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