Los campos están a nuestro alrededor. Ya sea el campo gravitacional causado por la masa de la Tierra o los campos eléctricos creados por partículas cargadas como los electrones, Hay campos invisibles en todas partes, que representan potenciales y fuerzas invisibles capaces de mover objetos con la caracteristicas.
Por ejemplo, un campo eléctrico en un área significa que un objeto cargado puede desviarse de su trayectoria original cuando ingresa a la región, y el campo gravitacional debido a la masa de la Tierra lo mantiene firmemente en la superficie de la Tierra a menos que haga algún trabajo para superar su influencia.
Los campos magnéticos son la causa de las fuerzas magnéticas, y los objetos que ejercen fuerzas magnéticas sobre otros objetos lo hacen creando un campo magnético. Los campos magnéticos se pueden detectar mediante la desviación de las agujas de la brújula que se alinean con las líneas de campo (el norte magnético de la aguja apunta hacia el sur magnético). Si está estudiando la electricidad y el magnetismo, aprender más sobre los campos magnéticos y la fuerza magnética es un paso crucial en su viaje.
¿Qué es un campo magnético?
En física en general, los campos son vectores con valores en cada región del espacio que le indican qué tan fuerte o débil es un efecto en ese punto y la dirección del efecto. Por ejemplo, un objeto con masa, como el sol, crea un campo gravitacional y, como resultado, otros objetos con masa que ingresa a ese campo se ven afectados por una fuerza. Así es como la atracción gravitacional del sol mantiene a la Tierra en órbita a su alrededor.
Más lejos en el sistema solar, como en el rango de la órbita de Urano, se aplica la misma fuerza, pero la fuerza es mucho menor. Siempre está dirigido directamente al sol; si imagina una colección de flechas rodeando el sol, todas apuntando hacia él pero con longitudes más largas a distancias cercanas (fuerza más fuerte) y longitudes más pequeñas a largas distancias (fuerza más débil), básicamente has imaginado el campo gravitacional en el sistema.
De la misma manera, los objetos con carga crean campos eléctricos y las cargas en movimiento generancampos magnéticos, que puede dar lugar a una fuerza magnética en un objeto cargado cercano u otros materiales magnéticos.
Estos campos son un poco más complicados en términos de forma que los campos gravitacionales, ya que tienen bucles magnéticos. líneas de campo que emergen del polo positivo (o polo norte) y terminan en el polo negativo (o polo sur), pero llenan la misma base papel. Son como líneas de fuerza, que le dicen cómo se comportará un objeto colocado en una ubicación. Puede visualizar esto claramente usando limaduras de hierro, que se alinearán con el campo magnético externo.
Los campos magnéticos sonsiempre campos dipolo, por lo que no hay monopolos magnéticos. Generalmente, los campos magnéticos se representan con la letraB, pero si un campo magnético pasa a través de un material magnético, este puede polarizarse y generar su propio campo magnético. Este segundo campo contribuye al primer campo, y la combinación de los dos se denomina con la letraH, dónde
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {y} \ mu_m = K_m \ mu_0
con μ0 = 4π × 10−7 H / m (es decir, la permeabilidad magnética del espacio libre) y Kmetro siendo la permeabilidad relativa del material en cuestión.
La cantidad de campo magnético que pasa a través de un área determinada se llama flujo magnético. La densidad de flujo magnético está relacionada con la intensidad del campo local. Dado que los campos magnéticos son siempre dipolares, el flujo magnético neto a través de una superficie cerrada es 0. (Cualquier línea de campo que salga de la superficie, necesariamente ingrese nuevamente, cancelando).
Unidades y medida
La unidad SI de intensidad del campo magnético es el tesla (T), donde:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Otra unidad ampliamente utilizada para la intensidad del campo magnético es el gauss (G), donde:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
El tesla es una unidad bastante grande, por lo que en muchas situaciones prácticas el gauss es una opción más útil, por ejemplo, un El imán del refrigerador tendrá una fuerza de aproximadamente 100 G, mientras que el campo magnético de la Tierra en la superficie de la Tierra es aproximadamente 0,5 G.
Causas de los campos magnéticos
La electricidad y el magnetismo están fundamentalmente entrelazados porque los campos magnéticos se generan al mover la carga. (como corrientes eléctricas) o campos eléctricos cambiantes, mientras que un campo magnético cambiante genera una campo.
En una barra magnética o un objeto magnético similar, el campo magnético es el resultado de varios "dominios" magnéticos alinearse, que a su vez son creados por el movimiento de los electrones cargados alrededor de los núcleos de sus átomos. Estos movimientos producen pequeños campos magnéticos dentro de un dominio. En la mayoría de los materiales, los dominios tendrán una alineación aleatoria y se cancelarán entre sí, pero en algunos materiales, los campos magnéticos en los dominios vecinos se alinean, y esto produce a mayor escala magnetismo.
El campo magnético de la Tierra también se genera al mover la carga, pero en este caso, es el movimiento de la capa fundida que rodea el núcleo de la Tierra lo que crea el campo magnético. Esto se explica porteoría de la dinamo, que describe cómo un fluido giratorio cargado eléctricamente genera un campo magnético. El núcleo externo de la Tierra contiene hierro líquido en constante movimiento, con electrones que viajan a través del líquido y generan el campo magnético.
El sol también tiene un campo magnético y la explicación de cómo funciona esto es muy similar. Sin embargo, las velocidades de rotación variables de diferentes partes del sol (es decir, el material similar a un fluido en diferentes latitudes) conduce a las líneas de campo enredarse con el tiempo, así como muchos fenómenos asociados con el sol, como erupciones solares y manchas solares, y la energía solar de aproximadamente 11 años. ciclo. El sol tiene dos polos, como un imán de barra, pero los movimientos del plasma del sol y la actividad solar que aumenta gradualmente hacen que los polos magnéticos se muevan cada 11 años.
Fórmulas de campo magnético
Los campos magnéticos debidos a diferentes disposiciones de carga en movimiento deben derivarse individualmente, pero hay muchas fórmulas estándar que puede utilizar para no tener que "reinventar la rueda" cada hora. Puede derivar fórmulas para básicamente cualquier arreglo de carga en movimiento utilizando la ley de Biot-Savart o la ley de Ampere-Maxwell. Sin embargo, las fórmulas resultantes para arreglos simples de corriente eléctrica se utilizan y se citan con tanta frecuencia que puede simplemente trátelas como "fórmulas estándar" en lugar de derivarlas siempre de la ley de Biot-Savart o Ampere-Maxwell.
El campo magnético de una corriente en línea recta se determina a partir de la ley de Ampere (una forma más simple de la ley de Ampere-Maxwell) como:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Dóndeμ0 es como se definió anteriormente,Ies la corriente en amperios yres la distancia desde el cable que está midiendo el campo magnético.
El campo magnético en el centro de un bucle de corriente viene dado por:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
DóndeRes el radio del bucle y los demás símbolos son los definidos anteriormente.
Finalmente, el campo magnético de un solenoide viene dado por:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
Dóndenortees el número de vueltas yLes la longitud del solenoide. El campo magnético de un solenoide se concentra en gran medida en el centro de la bobina.
Cálculos de ejemplo
Aprender a usar estas ecuaciones (y otras similares) es lo principal que tendrá que hacer al calcular un campo magnético. o la fuerza magnética resultante, por lo que un ejemplo de cada uno lo ayudará a abordar el tipo de problemas que probablemente encontrará encuentro.
Para un cable recto largo que lleva una corriente de 5 amperios (es decir, I = 5 A), ¿cuál es la intensidad del campo magnético a 0,5 m del cable?
Usando la primera ecuación con I = 5 A y r = 0.5 m da:
\ begin {align} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0.5 \ text {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ text {T} \ end {alineado}
Ahora, para un bucle de corriente que transporta I = 10 A y con un radio de r = 0.2 m, ¿cuál es el campo magnético en el centro del bucle? La segunda ecuación da:
\ begin {align} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 10 \ text {A}} {2 × 0.2 \ text {m}} \\ & = 3.14 × 10 ^ {- 5} \ text {T} \ end {alineado}
Finalmente, para un solenoide con N = 15 vueltas en una longitud de L = 0.1 m, que lleva una corriente de 4 A, ¿cuál es la intensidad del campo magnético en el centro?
La tercera ecuación da:
\ begin {alineado} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {vueltas}} {0.1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7.54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {alineado}
Otros ejemplos de cálculos de campo magnético pueden funcionar de manera un poco diferente, por ejemplo, indicando el campo en el centro de una solenoide y la corriente, pero preguntando por la relación N / L, pero mientras esté familiarizado con las ecuaciones, no tendrá problemas respondiéndoles.