¿Cómo funcionan los campos magnéticos?

•••Syed Hussain Ather

​Campos magnéticosdescribir cómo se distribuye la fuerza magnética a través del espacio alrededor de los objetos. Generalmente, para un objeto que es magnético, las líneas del campo magnético viajan desde el polo norte del objeto al polo sur, tal como lo hacen para el campo magnético de la Tierra, como se muestra en el diagrama de arriba.

La misma fuerza magnética que hace que los objetos se adhieran a las superficies del refrigerador se utiliza en el campo magnético de la Tierra que protege la capa de ozono del dañino viento solar. El campo magnético forma paquetes de energía que evitan que la capa de ozono pierda dióxido de carbono.

Puede observar esto vertiendo limaduras de hierro, pequeños trozos de hierro en forma de polvo, en presencia de un imán. Coloque un imán debajo de una hoja de papel o de una tela ligera. Vierta las limaduras de hierro y observe las formas y formaciones que toman. Determine qué líneas de campo tendría que haber para que las limaduras se dispusieran y distribuyeran así de acuerdo con la física de los campos magnéticos.

Cuanto mayor sea la densidad de las líneas del campo magnético dibujadas de norte a sur, mayor será la magnitud del campo magnético. Estos polos norte y sur también dictan si los objetos magnéticos son atractivos (entre los polos norte y sur) o repulsivos (entre polos idénticos). Los campos magnéticos se miden en unidades de Tesla,T​.

Debido a que los campos magnéticos se forman siempre que las cargas están en movimiento, los campos magnéticos son inducidos por la corriente eléctrica a través de cables. El campo le brinda una forma de describir la fuerza potencial y la dirección de una fuerza magnética dependiendo de la corriente a través de un cable eléctrico y la distancia que recorre la corriente. Las líneas del campo magnético forman círculos concéntricos alrededor de los cables. La dirección de estos campos se puede determinar mediante la "regla de la mano derecha".

Esta regla le dice que, si coloca el pulgar derecho en la dirección de la corriente eléctrica a través de un cable, los campos magnéticos resultantes están en la dirección en la que se curvan los dedos de la mano. Con mayor corriente, se induce un mayor campo magnético.

Puede utilizar diferentes ejemplos deregla de la mano derecha, una regla general para determinar la dirección de diferentes cantidades que involucran campo magnético, fuerza magnética y corriente. Esta regla de oro es útil para muchos casos en electricidad y magnetismo según lo dictado por las matemáticas de las cantidades.

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Esta regla de la mano derecha también se puede aplicar en la otra dirección para un campo magnético.solenoide, o una serie de corriente eléctrica envuelta en cables alrededor de un imán. Si apunta con el pulgar derecho en la dirección del campo magnético, los dedos de la mano derecha se enrollarán en la dirección de la corriente eléctrica. Los solenoides le permiten aprovechar el poder del campo magnético a través de corrientes eléctricas.

•••Syed Hussain Ather

Cuando viaja una carga eléctrica, el campo magnético se genera cuando los electrones que giran y se mueven se convierten en objetos magnéticos. Los elementos que tienen electrones desapareados en sus estados fundamentales, como el hierro, el cobalto y el níquel, pueden alinearse de manera que formen imanes permanentes. El campo magnético producido por los electrones de estos elementos permite que la corriente eléctrica fluya a través de estos elementos con mayor facilidad. Los propios campos magnéticos también pueden anularse entre sí si son iguales en magnitud en direcciones opuestas.

Corriente que fluye a través de una bateríaIemite un campo magnéticoBen el radiorde acuerdo con la ecuación paraLey de Ampère​:

dóndeμ​₀ es la constante magnética de la permeabilidad al vacío,1,26 x 10^-6 H / m("Henries por metro" en el que Henries es la unidad de inductancia). El aumento de la corriente y el acercamiento al cable aumentan el campo magnético resultante.

Para que un objeto sea magnético, los electrones que lo componen deben poder moverse libremente entre los átomos del objeto. Para que un material sea magnético, los átomos con electrones no apareados del mismo espín son candidatos ideales, ya que estos átomos pueden emparejarse entre sí para permitir que los electrones fluyan libremente. Probar materiales en presencia de campos magnéticos y examinar las propiedades magnéticas de los átomos que fabrican estos materiales puede informarle sobre su magnetismo.

​Ferromagnetostienen esta propiedad de que son permanentemente magnéticos.Paramagnetos, por el contrario, no mostrará propiedades magnéticas a menos que esté en presencia de un campo magnético para alinear los espines de los electrones para que puedan moverse libremente.Diamagnetstienen composiciones atómicas tales que no les afectan en absoluto los campos magnéticos o solo se ven afectados muy poco por los campos magnéticos. No tienen electrones no apareados o tienen pocos para permitir que las cargas fluyan.

Los paramagnetos funcionan porque están hechos de materiales que siempremomentos magnéticos, conocidos como dipolos. Estos momentos son su capacidad para alinearse con un campo magnético externo debido al giro de electrones no apareados en los orbitales de los átomos que forman estos materiales. En presencia de un campo magnético, los materiales se alinean para oponerse a la fuerza del campo magnético. Los elementos paramagnéticos incluyen magnesio, molibdeno, litio y tantalio.

Dentro de un material ferromagnético, el dipolo de los átomos es permanente, generalmente como resultado del calentamiento y enfriamiento del material paramagnético. Esto los convierte en candidatos ideales para electroimanes, motores, generadores y transformadores para su uso en dispositivos eléctricos. Los diamagnetos, por el contrario, pueden producir una fuerza que permite que los electrones fluyan libremente en forma de corriente que, luego, crea un campo magnético opuesto a cualquier campo magnético que se les aplique. Esto cancela el campo magnético y evita que se vuelvan magnéticos.

Los campos magnéticos determinan cómo se pueden distribuir las fuerzas magnéticas en presencia de material magnético. Mientras que los campos eléctricos describen la fuerza eléctrica en presencia de un electrón, los campos magnéticos no tienen una partícula análoga sobre la cual describir la fuerza magnética. Los científicos han teorizado que puede existir un monopolo magnético, pero no ha habido evidencia experimental que demuestre que existen estas partículas. Si existieran, estas partículas tendrían una "carga" magnética de la misma manera que las partículas cargadas tienen cargas eléctricas.

La fuerza magnética se debe a la fuerza electromagnética, la fuerza que describe los componentes eléctricos y magnéticos de partículas y objetos. Esto muestra cuán intrínseco es el magnetismo a los mismos fenómenos de la electricidad, como la corriente y el campo eléctrico. La carga de un electrón es lo que hace que el campo magnético lo desvíe a través de la fuerza magnética de la misma manera que lo hacen el campo eléctrico y la fuerza eléctrica.

Mientras que solo las partículas cargadas en movimiento emiten campos magnéticos, y todas las partículas cargadas emiten campos eléctricos, campos magnéticos y electromagnéticos son parte de la misma fuerza fundamental de electromagnetismo. La fuerza electromagnética actúa entre todas las partículas cargadas del universo. La fuerza electromagnética toma la forma de fenómenos cotidianos en la electricidad y el magnetismo, como la electricidad estática y los enlaces cargados eléctricamente que mantienen unidas las moléculas.

Esta fuerza junto con las reacciones químicas también forman la base de la fuerza electromotriz que permite que la corriente fluya a través de los circuitos. Cuando se ve un campo magnético entrelazado con un campo eléctrico, el producto resultante se conoce como campo electromagnético.

LaEcuación de fuerza de Lorentz​

describe la fuerza sobre una partícula cargadaqmoviéndose a velocidadven presencia de un campo eléctricomiy campo magnéticoB. En esta ecuación elXEntreqvyBrepresenta el producto cruzado. El primer términoqEes la contribución del campo eléctrico a la fuerza, y el segundo términoqv x Bes la contribución del campo magnético.

La ecuación de Lorentz también le dice que la fuerza magnética entre la velocidad de cargavy el campo magnéticoBesqvbsinϕpor un cargoqdóndeϕ("phi") es el ángulo entrevyB, que debe ser menor que 180grados. Si el ángulo entrevyBes mayor, entonces debe usar el ángulo en la dirección opuesta para arreglar esto (de la definición de un producto cruzado). Siϕes 0, como en, la velocidad y el campo magnético apuntan en la misma dirección, la fuerza magnética será 0. La partícula continuará moviéndose sin ser desviada por el campo magnético.

•••Syed Hussain Ather

En el diagrama anterior, el producto cruzado entre dos vectoresayBesC. Tenga en cuenta la dirección y la magnitud deC. Está en la dirección perpendicular aayBcuando se da por la regla de la mano derecha. La regla de la derecha significa que la dirección del producto cruzado resultanteCviene dada por la dirección de su pulgar cuando su dedo índice derecho está en la dirección deBy tu dedo medio derecho está en la dirección dea​.

El producto cruzado es una operación vectorial que da como resultado el vector perpendicular a ambosqvyBdada por la regla de la mano derecha de los tres vectores y con la magnitud del área del paralelogramo que los vectoresqvyBlapso. La regla de la derecha significa que puede determinar la dirección del producto cruzado entreqvyBcolocando su dedo índice derecho en la dirección deB, su dedo medio en la dirección deqv, y la dirección resultante de su pulgar será la dirección del producto cruzado de estos dos vectores.

•••Syed Hussain Ather

En el diagrama anterior, la regla de la mano derecha también demuestra la relación entre el campo magnético, la fuerza magnética y la corriente a través de un cable. Esto también muestra que el producto cruzado entre estas tres cantidades puede representar la regla de la mano derecha como el producto cruzado entre la dirección de la fuerza y ​​el campo es igual a la dirección de la corriente.

Los campos magnéticos de alrededor de 0,2 a 0,3 tesla se utilizan en resonancia magnética, resonancia magnética. La resonancia magnética es un método que utilizan los médicos para estudiar las estructuras internas del cuerpo de un paciente, como el cerebro, las articulaciones y los músculos. Esto generalmente se hace colocando al paciente dentro de un campo magnético fuerte de manera que el campo se extienda a lo largo del eje del cuerpo. Si imagina que el paciente es un solenoide magnético, las corrientes eléctricas envolverían su cuerpo y el El campo magnético se dirigiría en la dirección vertical con respecto al cuerpo, según lo dictado por la mano derecha. regla.

Luego, los científicos y los médicos estudian las formas en que los protones se desvían de su alineación normal para estudiar las estructuras dentro del cuerpo de un paciente. A través de esto, los médicos pueden realizar diagnósticos seguros y no invasivos de diversas afecciones.

La persona no siente el campo magnético durante el proceso, pero debido a que hay tanta agua En el cuerpo humano, los núcleos de hidrógeno (que son protones) se alinean debido a la acción magnética. campo. El escáner de resonancia magnética utiliza un campo magnético del que los protones absorben energía y, cuando el campo magnético se apaga, los protones vuelven a sus posiciones normales. Luego, el dispositivo rastrea este cambio de posición para determinar cómo se alinean los protones y crear una imagen del interior del cuerpo del paciente.