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Campo magnético para niños

Enciclopedia para niños

Un campo magnético es una zona invisible alrededor de un imán o de una corriente eléctrica. En esta zona, se pueden sentir fuerzas magnéticas. Piensa en él como una especie de "aura" que tienen los imanes y las cargas eléctricas cuando se mueven. Este campo tiene una dirección y una fuerza en cada punto, por eso se le llama un campo vectorial.

Los campos magnéticos se crean por:

En la tecnología moderna, los campos magnéticos son muy importantes. Se usan en ingeniería eléctrica y electromecánica. Por ejemplo, los campos magnéticos que giran son clave en los motores eléctricos y los generadores de electricidad.

La Tierra también tiene su propio campo magnético. Este campo nos protege del viento solar, que es una corriente de partículas del Sol. Además, es lo que permite que las brújulas funcionen y nos ayuden a orientarnos.

¿Cómo actúa un campo magnético? La fuerza de Lorentz

Archivo:Magnetic field of horseshoe magnet
La forma del campo magnético producido por un imán de herradura se revela por la orientación de las limaduras de hierro rociadas en una hoja de papel sobre el imán.

Una de las formas de entender un campo magnético es a través de la fuerza de Lorentz. Imagina que tienes una partícula con carga eléctrica (como un electrón) moviéndose en una zona donde hay un campo magnético. El campo magnético ejercerá una fuerza sobre esa partícula.

Esta fuerza es especial:

  • Es perpendicular a la dirección en que se mueve la partícula.
  • También es perpendicular a la dirección del campo magnético.
  • Su fuerza depende de la cantidad de carga de la partícula, de su velocidad y de la intensidad del campo magnético.

La fórmula que describe esta fuerza es:

\mathbf{F} = q (\mathbf{v} \times \mathbf{B})

Donde:

  • F es la fuerza magnética.
  • q es la carga de la partícula.
  • v es la velocidad de la partícula.
  • B es el campo magnético (también llamado inducción magnética o densidad de flujo magnético).

El símbolo \times significa "producto vectorial", que es una operación matemática que da como resultado un vector perpendicular a los dos vectores que se multiplican.

Para saber la fuerza de esta interacción, se usa esta otra fórmula:

|\mathbf{F}| = |q||\mathbf{v}||\mathbf{B}|\cdot \mathop{\sen} (\theta)

Aquí, \theta es el ángulo entre la velocidad de la partícula y la dirección del campo magnético.

Puedes detectar un campo magnético usando un magnetómetro o una brújula. La aguja de la brújula se alinea con las líneas del campo magnético, mostrando su dirección.

Breve historia del descubrimiento

Archivo:Ørsted - ger, 1854 - 682714 F
Hans Christian Ørsted, un científico danés que descubrió la relación entre electricidad y magnetismo.

Desde hace mucho tiempo, la gente conocía algunos materiales magnéticos, como la magnetita, que atrae el hierro. Pero no fue hasta el siglo XIX cuando se descubrió la conexión entre la electricidad y el magnetismo. Antes de 1820, se pensaba que eran fenómenos separados.

Todo cambió gracias a Hans Christian Ørsted, un profesor de la Universidad de Copenhague, Dinamarca. En 1820, mientras hacía una demostración para sus estudiantes, notó algo sorprendente. Cada vez que conectaba una corriente eléctrica a un cable, la aguja de una brújula cercana se movía.

Oersted se dio cuenta de que la aguja no era atraída ni repelida, sino que tendía a colocarse en ángulo recto con respecto al cable. Este fue un descubrimiento muy importante, ya que demostró que la electricidad en movimiento crea un campo magnético. Este hallazgo fue clave para entender la relación entre el campo magnético y el campo eléctrico, que más tarde se describiría en las ecuaciones de Maxwell.

Una curiosidad del magnetismo es que, a diferencia de las cargas eléctricas (que pueden ser positivas o negativas por separado), los imanes siempre tienen dos polos: un polo norte y un polo sur. Si rompes un imán por la mitad, cada trozo se convierte en un imán completo con su propio polo norte y sur. ¡Nunca se ha encontrado un polo magnético "solo"!

Tipos de campos magnéticos: B y H

En física, se usan dos símbolos para hablar de los campos magnéticos: B y H. Aunque están relacionados, describen aspectos ligeramente diferentes:

  • El campo B (también llamado inducción magnética o densidad de flujo magnético) es el que se considera el "verdadero" campo magnético. Es el que ejerce fuerza sobre las cargas en movimiento. Se mide en teslas (T) en el Sistema Internacional de Unidades.
  • El campo H (o excitación magnética) se usó históricamente para describir el campo magnético en relación con sus fuentes, como las corrientes eléctricas. Se mide en amperios por metro (A/m).

En el vacío, los campos B y H son casi lo mismo, solo difieren en las unidades. Pero cuando hay materiales magnéticos presentes, la relación entre ellos se vuelve más compleja.

¿Cómo se usan B y H?

Tradicionalmente, el campo H se consideraba el principal. Sin embargo, con el avance de la física y la teoría de la relatividad, se ha demostrado que el campo B es el que mejor describe la realidad física de cómo los campos magnéticos actúan sobre las partículas cargadas. Por eso, en la física moderna, cuando se habla de "campo magnético", generalmente se refieren a B.

Para entender la diferencia, piensa que H describe la intensidad del campo magnético en una región, mientras que B representa la cantidad de "flujo magnético" que pasa por esa región. Otra forma de verlo es que H se relaciona con las fuentes del campo (las corrientes eléctricas), y B con los efectos del campo (las fuerzas sobre las cargas).

¿De dónde vienen los campos magnéticos?

Archivo:Magnet0873
Limaduras de hierro mostrando el campo magnético de un imán de barra producido por un imán debajo del papel.

Un campo magnético puede tener dos orígenes principales:

  • Una corriente eléctrica en movimiento: Si la corriente es constante, crea un campo magnético que no cambia con el tiempo (estático).
  • Una corriente que cambia con el tiempo (corriente de desplazamiento): Esta crea un campo magnético que también varía con el tiempo.

La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica se describe con la ley de Ampère. Una versión más completa, que incluye las corrientes que cambian, es la ley de Ampère-Maxwell.

Campo magnético de una carga en movimiento

Una sola carga eléctrica que se mueve (no una corriente completa) también genera un campo magnético. Para velocidades bajas (mucho menores que la velocidad de la luz), se puede calcular con una fórmula derivada de la ley de Biot-Savart:

\mathbf{B}=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{(q\mathbf{v})\times \hat{\mathbf{u}}_r}{r^2}

Donde \mu_0 es una constante, q es la carga, v es su velocidad, y r es la distancia al punto donde se mide el campo.

No existen los "polos magnéticos aislados"

Archivo:Electromagnetism
Ilustración de un campo magnético alrededor de un alambre a través del cual fluye corriente eléctrica.

A diferencia del campo eléctrico, donde puedes tener una carga positiva o negativa sola, en el magnetismo no se han encontrado "monopolos magnéticos" (polos norte o sur aislados). Siempre vienen en pares (dipolos). Esto significa que las líneas de un campo magnético siempre son cerradas: salen de un polo (norte) y regresan por el otro (sur), formando un bucle.

La dirección del campo magnético alrededor de una corriente o una carga en movimiento se puede determinar con la regla de la mano derecha. Si apuntas el pulgar en la dirección de la corriente (o del movimiento de la carga positiva), tus dedos curvos indicarán la dirección del campo magnético.

Energía en los campos magnéticos

Para crear un campo magnético, se necesita energía. Esta energía se "almacena" en el campo. Cuando el campo magnético desaparece, esa energía se libera.

Para materiales simples, la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen se puede calcular con la fórmula:

\mathcal{E}_M = \frac{B^2}{2\mu} = \frac{\mu H^2}{2}

Donde \mu es la permeabilidad del material, que indica qué tan bien un material permite que se formen líneas de campo magnético en su interior. Si no hay materiales magnéticos, se usa la permeabilidad del vacío (\mu_0).

¿Cómo se mide el campo magnético B?

Archivo:Campo magnetico
La figura muestra las relaciones entre los vectores. Se observa que:
* (a) la fuerza magnética se anula cuando \,\!v \to 0,
* (b) la fuerza magnética se anula si v es paralela o antiparalela a la dirección de B (en estos casos \,\!\theta = 0^ \circ o bien \,\!\theta = 180^ \circ y \vec v \times \vec B = 0)
*(c) si v es perpendicular a B (\,\!\theta = 90^ \circ) la fuerza desviadora tiene su máximo valor, dado por: \,\!F_\perp =q_0vB

Para medir el campo magnético B en un punto, se puede usar una pequeña carga eléctrica de prueba (q_0) y observar la fuerza que actúa sobre ella mientras se mueve a diferentes velocidades y direcciones.

  • Si mueves la carga en una dirección y la fuerza sobre ella es cero, esa dirección es la del campo magnético B.
  • Una vez que conoces la dirección, puedes mover la carga perpendicularmente a B. En este caso, la fuerza será máxima. Conociendo esta fuerza máxima, la carga y su velocidad, puedes calcular la magnitud de B:

B=\frac{F_\perp}{q_0v}

Donde Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): F_\perp es la fuerza máxima cuando la velocidad es perpendicular al campo.

Es importante saber que la fuerza magnética siempre es perpendicular al movimiento de la carga. Esto significa que un campo magnético estático (que no cambia) no puede acelerar una carga ni cambiar su energía. Solo puede cambiar la dirección de su movimiento.

Si una partícula cargada se encuentra en una región donde hay un campo eléctrico y uno magnético al mismo tiempo, la fuerza total sobre ella es la suma de la fuerza eléctrica y la fuerza magnética. Esta es la fórmula de Lorentz completa:

\,\! \vec F=q_0 \vec E + q_0 \vec v \times \vec B

Campo magnético y la relatividad

La teoría de la relatividad especial de Albert Einstein nos enseñó que el espacio y el tiempo no son absolutos, y lo mismo ocurre con los campos eléctricos y magnéticos. Esto significa que lo que un observador ve como un campo puramente eléctrico, otro observador que se mueve con respecto al primero podría ver como una combinación de campo eléctrico y magnético.

Por ejemplo, si estás quieto junto a una carga eléctrica, solo detectarás un campo eléctrico. Pero si te mueves con respecto a esa carga, ¡también detectarás un campo magnético! Esto demuestra que los campos eléctrico y magnético son dos caras de la misma moneda, interconectados.

Unidades y valores típicos

Archivo:ISO 7010 W006
Símbolo internacional de advertencia de campo magnético intenso.
  • La unidad de B en el Sistema Internacional es el tesla (T). Un tesla es una unidad muy grande.
  • La unidad de H en el Sistema Internacional es el amperio por metro (A/m).

Para que te hagas una idea de los valores:

  • El campo magnético terrestre en la superficie es de aproximadamente 0.00005 T (o 0.5 Gauss, una unidad más antigua).
  • Los imanes permanentes comunes (de hierro) pueden generar campos de unos pocos cientos de Gauss (0.01 a 0.03 T).
  • Los imanes comerciales más potentes, hechos con tierras raras, pueden alcanzar hasta 0.3-0.4 T.
  • En laboratorios de investigación, se usan electroimanes para crear campos mucho más fuertes, de hasta 30 T.
  • En condiciones extremas, como las que ocurren en las estrellas de neutrones (púlsares), los campos magnéticos pueden ser ¡cientos de millones de teslas!

¿Cómo se visualiza un campo magnético?

Archivo:Magnet0873
La dirección de las líneas de campo magnético representadas por limaduras de hierro espolvoreadas sobre un papel colocado encima de una barra magnética

Aunque los campos magnéticos son invisibles, podemos visualizarlos usando "líneas de campo magnético". Estas líneas nos muestran la dirección y la fuerza del campo en cada punto.

Para verlas, puedes espolvorear limaduras de hierro sobre un papel colocado encima de un imán. Las pequeñas limaduras se alinearán con las líneas del campo magnético, revelando su forma.

Las líneas de campo magnético son útiles porque:

  • Indican la dirección del campo: La flecha en la línea muestra hacia dónde apunta el campo.
  • Indican la fuerza del campo: Donde las líneas están más juntas, el campo es más fuerte. Donde están más separadas, es más débil.
Archivo:Magnetic field near pole
Las agujas de la brújula apuntan en la dirección del campo magnético local, hacia el polo sur de un imán y lejos de su polo norte

Las líneas de campo magnético siempre forman bucles cerrados: salen del polo norte de un imán y entran por el polo sur, continuando por dentro del imán.

En fenómenos naturales como las auroras polares, las partículas cargadas del espacio interactúan con el campo magnético de la Tierra, creando luces visibles que se alinean con las líneas de campo.

Las líneas de campo también nos ayudan a entender por qué los imanes se atraen o se repelen. Los polos "diferentes" se atraen porque sus líneas de campo se unen. Los polos "iguales" se repelen porque sus líneas de campo corren paralelas y se empujan entre sí.

Galería de imágenes

  • VFPt magnets BHM

    Comparación de B, H y M dentro y fuera de una barra magnética cilíndrica.

Véase también

Kids robot.svg En inglés: Magnetic field Facts for Kids

  • Campo (física)
  • Fuerza
  • Energía
  • Neutrón
  • Protón
  • Electrón
  • Magnetohidrodinámica : el estudio de la dinámica de fluidos que conducen electricidad.
  • Histéresis magnética : cómo los materiales magnéticos "recuerdan" un campo.
  • Nanopartículas magnéticas: partículas magnéticas muy pequeñas.
  • Reconexión magnética : un efecto que causa erupciones solares y auroras.
  • Potencial escalar magnético
  • Unidades de electromagnetismo SI: unidades comunes usadas en electromagnetismo.
  • Órdenes de magnitud (campo magnético) : lista de fuentes de campo magnético y dispositivos de medición.
  • Efecto Moisés
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