Tema 5. Campo magnético

El magnetismo es conocido desde hace miles de años. Piedras procedentes de la ciudad de Magnesia (en realidad, constituidas por óxidos de hierro, magnetita) tenían la propiedad de orientarse en la dirección del norte geográfico. Hoy se sabe que esto es debido a que el imán (es decir, la piedra) interacciona con el campo magnético terrestre. En 1269, Pierre de Maricourt descubrió que si se deja una aguja libre en diferentes posiciones sobre un imán natural esférico, se orienta a lo largo de líneas que envuelven el imán y pasan por puntos situados en extremos diametralmente opuestos de la esfera. Estos puntos se denominaron polos del imán. Posteriormente, otras experiencias mostraron que cualquier imán, independientemente de su forma, tiene dos polos, llamados polo norte y polo sur, en los que la fuerza ejercida por el imán tiene la intensidad máxima. También se comprobó que los polos iguales de dos imanes se repelían entre ellos y los polos diferentes se atraían mutuamente. La Tierra es similar a un gigantesco imán, cuyo eje no coincide exactamente con el eje de rotación, y que además no se ha mantenido constante en el tiempo. El campo producido por este imán se visualiza mediante las llamadas líneas de campo, lugar geométrico de las direcciones del campo en cada punto del espacio. En la ilustración de la izquierda se muestran algunas de las líneas del campo magnético terrestre, líneas que tienen su origen en un punto cercano al Polo Sur geográfico (SG), y que van a parar a otro punto cercano al Polo Norte geográfico (NG). El punto origen de las líneas de campo se denomina Polo Norte magnético (NM) y el destino Polo Sur magnético (SM).

Fig 9-1La forma del campo magnético que produce la Tierra es prácticamente idéntico al de un imán dipolar (ilustración de la derecha). El origen de este campo parece estar en los movimientos convectivos que tiene lugar en el interior de la Tierra por parte de materiales férreos sometidos a grandes presiones y temperaturas. Se atribuye a los chinos el ser los primeros en utilizar piedras imanadas como indicadores de la posición del Norte, inventando lo que hoy se denominaría una brújula, con lo cual la orientación en los viajes de altura ya no dependía exclusivamente de la observación de algunas estrellas (como la estrella Polar), imposible en tiempo nublado.

Aunque la fuerza magnética entre dos polos magnéticos es similar a la fuerza entre dos cargas eléctricas, las cargas eléctricas pueden estar aisladas (electrón y protón), mientras que un polo magnético nunca se ha conseguido aislar. No importa cuantos trozos se hagan de un imán, siempre aparecerán en cada uno de ellos un polo norte y un polo sur.

La primera sesión de este bloque trata sobre campos magnéticos en el vacío. Las interacciones eléctrica y magnética constituyen dos aspectos diferentes de una misma propiedad de la materia, la carga eléctrica. El magnetismo es una manifestación de las cargas eléctricas en movimiento con respecto al observador. De ahí que se unifique su tratamiento y se hable de la interacción electromagnética.

Consideraremos los efectos de un campo magnético sobre cargas en movimiento y sobre elementos de corriente. De la misma manera que se hizo con el campo eléctrico, se definirá el flujo del campo magnético B a través de una superficie. Se analizarán las propiedades de la fuerza magnética y de las líneas de campo magnético y se definirá la fuerza de Lorentz que actúa sobre una partícula en movimiento en presencia de campo eléctrico y magnético. Se deducirá la fuerza magnética sobre un elemento de corriente y la fuerza y el momento sobre una espira de corriente.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de esta primera sesión través de 3 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 4,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

Aunque el fenómeno del magnetismo es conocido desde hace miles de años, la relación entre el magnetismo y la electricidad no se produjo hasta principios del siglo XIX. En el año 1819, el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851) descubrió que la aguja de una brújula se desviaba en presencia de una corriente eléctrica cercana. Poco tiempo después Jean-Baptiste Biot (1774-1862) y Félix Savart (1791-1841) publicaron los resultados de las medidas que habían realizado del momento de una fuerza que actúa sobre un imán cercano a un hilo largo de corriente y los análisis de estos resultados en función del campo magnético creado por cada elemento de la corriente. André-Marie Ampère (1775-1836) amplió estas experiencias y consiguió demostrar que los elementos de corriente también experimentan una fuerza en presencia de un campo magnético y que dos elementos de corriente ejercen fuerzas una sobre la otra.

La segunda sesión tratará sobre las fuentes del campo magnético. Se deducirá el campo magnético creado por una sola carga en movimiento y también por las cargas en movimiento de un elemento de corriente (ley de Biot-Savart). A continuación se calcularán los campos magnéticos creados por diferentes configuraciones de corriente habituales, como un conductor rectilíneo indefinido, una espira circular de corriente y un solenoide (bobina). A partir de la fuerza magnética entre dos conductores paralelos, se definirá el concepto de amperio. Se acabará la sesión con el análisis de la ley de Ampére y sus aplicaciones.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de esta segunda sesión a través de 5 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 7,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

La última sesión analizará los efectos producidos por campos magnéticos variables en el tiempo. Al principio de los años 30 del siglo XIX, experiencias desarrolladas por Michael Faraday (1791-1867) en Inglaterra e independientemente por Joseph Henry (1797-1878) en los Estados Unidos de América demostraron que la variación temporal del flujo magnético debida a un campo magnético variable que atraviesa la superficie limitada por una espira conductora estacionaria (en reposo) induce una corriente en esta espira. Las fuerzas electromotrices (fem) y las corrientes causadas por los flujos magnéticos variables se denominan fem inducidas y corrientes inducidas. Se estudiarán los fenómenos de inducción electromagnética y el movimiento de un conductor en un campo magnético. A continuación se estudiarán la ley de Faraday y la ley de Lenz y sus aplicaciones a los generadores electromagnéticos (corriente alterna). Finalizará la sesión con el estudio de los fenómenos de autoinducción e inducción mutua.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de este bloque a través de 3 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 4,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

Bibliografía

  1. Douglas C. Giancoli, Física. Principios con aplicaciones, Prentice-Hall Hispano Americana, S. A., 1998 (4ª edición, capítulos 20-21) (English version on the web site)
  2. Paul A. Tipler & G. Mosca, Física para la ciencia y la tecnología (2 tomos), Editorial Reverté, 2010 (6ª edición, capítulos 26-28) (versió en català)
  3. R. A. Serway & J. W. Jewett, Physics for scientists and engineers with modern physics, BROOKS/COLE CENGAGE Learning, 2010 (8ª edición, capítulos 29-32)
  4. W. E. Gettys, F. J. Keller & M. J. Skove, Física clásica y moderna, Editorial McGraw-Hill Interamericana de España, 1991 (1º edición, capítulos 26-29)
  5. S. Burbano, E. Burbano y C. Gracia, Problemas de física, Editorial Tébar, 2004
  6. F. A. González, La física en problemas, Editorial Tébar, 2000

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