Física para tod@s

En los temas 1 y 2 se han estudiado los campos magnéticos producidos por corrientes estacionarias (campos magnéticos independientes del tiempo), mientras que este tema se dedica al estudio de la inducción electromagnética y los campos magnéticos dependientes del tiempo y los campos eléctricos no conservativos que se producen. Los fenómenos de inducción electromagnética juegan un papel clave, por ejemplo, en la tecnología eléctrica. El tema comienza con la presentación de diversos fenómenos experimentales que ponen de manifiesto la existencia de una corriente eléctrica asociada a la variación de flujo magnético que atraviesa un circuito, tanto si se mueve el circuito o la fuente del campo magnético, se deforma el circuito o se aplica un campo magnético variable con el tiempo. Además, en todos los casos, el sentido de la corriente es tal que tiende a oponerse a la causa que la produce (ley de Lenz). En este punto es importante hacer ver a los alumnos que si aparece una corriente eléctrica inducida en los circuitos debe existir una fuerza electromotriz, denominada inducida, y que puede obtenerse cuantitativamente a partir de la ley de Faraday-Henry. Cierto interés tiene el estudio de la fuerza electromotriz inducida por el movimiento relativo de un segmento de corriente en un campo magnético. En este caso la fuerza electromotriz inducida es una consecuencia directa de la fuerza magnética. También se estudian las corrientes de Foucault que aparecen en un trozo de metal que se mueve en un campo magnético o que está situado, en reposo, en el seno de un campo magnético variable con el tiempo. Estas corrientes normalmente son perjudiciales debido a que el calor producido no solamente constituye una pérdida de potencia sino que hay que disiparlo. La mayor parte de la energía eléctrica utilizada actualmente se produce mediante generadores eléctricos los cuales están basados en el fenómeno de la inducción electromagnética. Se describe brevemente el funcionamiento de los generadores, en los que se genera una corriente eléctrica haciendo girar una espira en un campo magnético.

Cuando dos circuitos están próximos uno al otro, el flujo magnético que atraviesa uno de ellos depende de la corriente que circula por el circuito próximo. Este fenómeno permite introducir el concepto de inducción mutua e introducir el coeficiente de inducción mutua. El mismo procedimiento se puede emplear para relacionar el flujo magnético y la corriente para un único circuito, en cuyo caso aparece el concepto de autoinducción y se introduce el coeficiente de autoinducción del circuito y la fuerza electromotriz autoinducida. El coeficiente de autoinducción se puede calcular a partir del cociente del flujo y la corriente, lo que se puede aplicar fácilmente al caso de un solenoide. Como ejemplo de inducción mutua se estudia el transformador, dispositivo utilizado para variar las tensiones y corrientes sin pérdida apreciable de potencia. También se analizan los circuitos RL formados por resistencias y autoinducciones, introduciéndose la constante de tiempo de los mismos. También se lleva a cabo el estudio de la energía almacenada en un campo magnético y la densidad de energía magnética, partiendo del estudio de un circuito RL analizando la energía que se almacena en la autoinducción cuando se establece una corriente eléctrica en el circuito. Esta energía magnética es igual a la que se necesita para establecer el campo.

Puedes visualizar un vídeo en el que se recrean diversos experimentos de inducción electromagnética de la colección de “Experiencias de Física” de la Universidad de Alicante.

En este tema se estudian las fuentes o causas del campo magnético. Se comienza con la presentación de la ley de Biot-Savart para un elemento de corriente que se aplica al cálculo de campos magnéticos producidos por algunas configuraciones de corriente comunes (corriente rectilínea indefinida, espira circular en su eje y solenoide) y a partir de las acciones mutuas entre dos corrientes rectilíneas indefinidas se define el amperio, unidad de la corriente eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades.

Los campos magnéticos difieren de los campos eléctricos que estudiado hasta el momento en varios aspectos. Por un lado, son producidos por cargas eléctricas que se mueven respecto al observador, como las corrientes eléctricas, en lugar de estar producidos por cargas eléctricas en reposo como sucedía con los campos eléctricos que estudiamos en los temas 2 y 5 (electrostática). Además, las líneas de fuerza del campo magnético son cerradas sobre sí mismas, a diferencia de las líneas del campo electrostático que son abiertas, con origen en las cargas eléctricas positivas y final en las negativas. Sin embargo, las líneas del campo magnético no empiezan en un punto y terminan en otro, sino que, de alguna manera, se enrollan en torno a las corrientes eléctricas que originan el campo. Como en los temas 3 y 4, en este tema se considerarán únicamente campos magnéticos estáticos o estacionarios, es decir, independientes del tiempo.

Comenzamos con la definición del flujo del campo magnético a través de una superficie, de forma análoga a como se definió el flujo del campo eléctrico, presentándose la ley de Gauss  para el campo magnético, válida no sólo para campos estacionarios, sino para cualquier tipo de campo y que constituye otra de las cuatro ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético. Es importante señalar que las líneas del campo magnético son cerradas sobre sí mismas debido a la no existencia de monopolos magnéticos y esto da lugar a que el flujo del campo magnético a través de una superficie cerrada es siempre nulo. A continuación se analiza la ley de Ampère, aplicándola al cálculo de algunos campos magnéticos de interés práctico producidos por distribuciones de corriente de gran simetría como el creado por una corriente rectilínea e indefinida, por la corriente en un cilindro, en puntos dentro y fuera del mismo, o el campo magnético creado por un solenoide muy largo. Es importante puntualizar que la ley de Ampère es una prueba de que el campo magnético no es un campo conservativo, ya que su circulación a lo largo de cualquier línea cerrada no es siempre nula, sino que para campos estacionarios es proporcional a la corriente eléctrica enlazada por la línea cerrada.

Finalmente se analiza la magnetización de la materia, pues al estar constituida por átomos y éstos poseer un núcleo positivo rodeado de electrones en movimiento, es lógico pensar que la materia debe presentar ciertas propiedades magnéticas asociadas al movimiento de sus cargas. Es posible observar experimentalmente que la magnetización de un material varía cuando se aplica un campo magnético externo o cuando varía su temperatura, de modo que los materiales, en función de su respuesta, se pueden clasificar en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos.

Puedes visualizar el vídeo Acciones entre corrientes de la colección de “Experiencias de Física” de la Universidad de Alicante.

Puedes visualizar el vídeo Ley de Biot-Savart: campo magnético de un solenoide de la colección de “Experiencias de Física” de la Universidad de Alicante.