Campo magnético: definición, líneas de flujo, unidades y aplicaciones
Descubre qué es el campo magnético, sus líneas de flujo, unidades (tesla/gauss) y aplicaciones prácticas en tecnología y ciencia con explicaciones claras y visuales.
El campo magnético es la región del espacio que rodea a un imán o a una carga eléctrica en movimiento, en la que una fuerza magnética puede actuar sobre otras cargas en movimiento o sobre dipolos magnéticos. Aunque el campo en sí no es visible, su presencia y dirección se representan mediante las llamadas líneas de flujo magnético.
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Líneas de flujo y propiedades
Las líneas de flujo magnético son una representación gráfica: su dirección en cada punto indica la dirección del campo magnético en ese punto y la densidad de líneas refleja la intensidad del campo. Cuanto más juntas estén las líneas, mayor es la intensidad. Las líneas de flujo forman siempre circuitos cerrados —no tienen principio ni fin— lo que refleja una propiedad fundamental del campo magnético: no existen monopolos magnéticos conocidos, y matemáticamente esto se expresa como ∇·B = 0.
Un experimento clásico para visualizar las líneas de campo consiste en esparcir limaduras de hierro sobre la superficie de un imán; las limaduras se alinean formando las líneas de flujo. Cuando se colocan dipolos magnéticos en un campo, estos tienden a orientarse con sus ejes paralelos a las líneas de campo, como ocurre con dichas limaduras.
Origen y descripción física
Los campos magnéticos aparecen alrededor de corrientes eléctricas (cargas en movimiento), de dipolos magnéticos (por ejemplo, imanes permanentes) y también como resultado del cambio temporal de campos eléctricos. En física clásica, el campo magnético en un punto viene descrito por el vector B (densidad de flujo magnético).
Algunas expresiones útiles:
- Fuerza de Lorentz sobre una carga: F = q (v × B). Esta fórmula indica que una carga q que se mueve con velocidad v en un campo B experimenta una fuerza perpendicular tanto a v como a B.
- Fuerza sobre un conductor con corriente I y longitud vectorial L: F = I (L × B).
- Ley de Biot–Savart: dB = (μ0 / 4π) · (I dl × r̂) / r^2, que permite calcular el campo producido por un elemento de corriente.
- Campo de un dipolo magnético (a distancia r grande respecto al tamaño del dipolo): B(r) ≈ (μ0 / 4π) · [ (3(m·r̂) r̂ − m) / r^3 ], donde m es el momento dipolar magnético.
Unidades y magnitudes
La unidad del SI para el campo magnético B es el tesla (T). En el sistema cgs se usa el gauss (G), y la relación entre ambas unidades es:
- 1 T = 104 G.
- En unidades base del SI: 1 T = N·(A·m)-1 = kg·s-2·A-1.
Constantes relevantes: la permeabilidad del vacío μ0 = 4π × 10-7 N·A-2. La densidad de energía del campo magnético en el vacío viene dada por u = B² / (2μ0).
Algunos órdenes de magnitud típicos:
- Campo magnético terrestre: ≈ 25–65 μT (0,25–0,65 G).
- Imanes de nevera: del orden de 1–10 mT.
- Imanes de neodimio: hasta ~1 T.
- Imágenes por resonancia magnética (MRI): típicamente 1.5–3 T (en investigación hasta ~7–21 T).
Leyes fundamentales y teoría
El campo magnético forma parte del campo electromagnético, junto con el campo eléctrico. Las leyes que describen estos campos son las ecuaciones de Maxwell. Entre ellas destacan:
- ∇·B = 0: no hay monopolos magnéticos (líneas cerradas).
- ∇×E = −∂B/∂t: variaciones temporales del campo magnético inducen campos eléctricos (ley de Faraday).
- ∇×B = μ0 J + μ0 ε0 ∂E/∂t (ley de Ampère–Maxwell): las corrientes eléctricas J y los cambios del campo eléctrico generan campos magnéticos.
La idea de que campos eléctricos y magnéticos están íntimamente relacionados fue desarrollada experimentalmente por Michael Faraday, y formalizada matemáticamente por James Clerk Maxwell.
Tipos de campos magnéticos
- Campo estático: creado por imanes permanentes o corrientes continuas.
- Campo variable: generado por corrientes alternas o por cambios en campos eléctricos; puede inducir corrientes en conductores (inducción electromagnética).
- Campo de materiales: en medios magnéticos (ferromagnéticos, diamagnéticos, paramagnéticos) la respuesta del material modifica el campo efectivo; para detalles, ver magnetismo, imán y diamagnetismo.
Aplicaciones prácticas
Los campos magnéticos tienen multitud de aplicaciones tecnológicas y científicas:
- Generación de electricidad: dinamos y generadores usan campos magnéticos y movimiento relativo para producir corriente.
- Motores eléctricos: la interacción entre corrientes y campos genera par motor.
- Almacenamiento magnético: discos duros y cintas usan campos magnéticos para codificar información.
- Resonancia magnética (MRI): utiliza potentes campos B para obtener imágenes médicas.
- Navegación: la brújula interactúa con el campo magnético terrestre.
- Levitación magnética (maglev): trenes y sistemas de aislamiento por levitación magnética reducen rozamiento.
- Aceleradores de partículas: campos magnéticos dirigen y enfocan haces de partículas cargadas.
- Blindaje magnético: materiales como el mu-metal o el uso de bobinas compensadoras para proteger equipos sensibles.
Resumen
El campo magnético es una manifestación fundamental del electromagnetismo, producido por corrientes y dipolos magnéticos, representado por líneas de flujo cerradas, medido en teslas o gauss, y con aplicaciones que van desde la vida cotidiana hasta la investigación avanzada. Para ampliar sobre los aspectos microscópicos y materiales, consultar temas relacionados como magnetismo, cargas eléctricas en movimiento y el conjunto del electromagnetismo.
Campo H
Los físicos pueden decir que la fuerza y los pares entre dos imanes se deben a que los polos magnéticos se repelen o se atraen. Esto es como la fuerza de Coulomb que repele las mismas cargas eléctricas o atrae cargas eléctricas opuestas. En este modelo, se produce un campo magnético H por cargas magnéticas que se "untan" alrededor de cada polo. Así, el campo H es como el campo eléctrico E, que comienza en una carga eléctrica positiva y termina en una carga eléctrica negativa. Cerca del polo norte, todas las líneas de campo H apuntan en dirección contraria al polo norte (ya sea dentro o fuera del imán), mientras que cerca del polo sur (ya sea dentro o fuera del imán) todas las líneas de campo H apuntan hacia el polo sur. Por lo tanto, el polo norte siente una fuerza en la dirección del campo H, mientras que la fuerza en el polo sur es opuesta al campo H.
En el modelo de polos magnéticos, el dipolo magnético elemental m está formado por dos polos magnéticos opuestos de fuerza polar q mseparados por una distancia muy pequeña d, tal que m = q md.
Desgraciadamente, los polos magnéticos no pueden existir separados unos de otros. Todos los imanes tienen pares norte/sur que no pueden separarse sin crear dos imanes que tengan cada uno un par norte/sur. Además, los polos magnéticos no tienen en cuenta el magnetismo producido por las corrientes eléctricas ni la fuerza que un campo magnético aplica a las cargas eléctricas en movimiento.
Campo H y materiales magnéticos
El campo H se define como:
H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \N -equivocación \N - frac {\mathbf {B} {\mu _{0}}-\mathbf {M} 
(definición de H en unidades del SI)
Con esta definición, la ley de Ampere se convierte en:
∮ H ⋅ d ℓ = ∮ ( B μ 0 - M ) ⋅ d ℓ = I t o t - I b = I f {\displaystyle \oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell}}=oint \frac {\mathbf {B} {\mu _{0}}. \punto izquierdo (punto de la matriz de la B) - punto de la matriz de la M a la derecha). I_{mathrm {b} }=I_{mathrm {b} I_{mathrm {f}}=I_{mathrm {f}} }} 
donde If representa la "corriente libre" encerrada por la espira, de modo que la integral de línea de H no depende en absoluto de las corrientes ligadas. Para el equivalente diferencial de esta ecuación, véanse las ecuaciones de Maxwell. La ley de Ampere conduce a la condición de contorno:
H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\_parallel }-H_{2,\\parallel }=\mathbf {K} _{text{f},} 
donde Kf es la densidad de corriente libre superficial.
Del mismo modo, una integral de superficie de H sobre cualquier superficie cerrada es independiente de las corrientes libres y recoge las "cargas magnéticas" dentro de esa superficie cerrada:
∮ S μ 0 H ⋅ d A = ∮ S ( B - μ 0 M ) ⋅ d A = ( 0 - ( - q M ) ) = q M , {\displaystyle \oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} = punto _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},} 
que no depende de las corrientes libres.
El campo H, por tanto, puede separarse en dos partes independientes:
H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} 0+H, d. _{d},\,} 
donde H0 es el campo magnético aplicado debido sólo a las corrientes libres y Hd es el campo desmagnetizante debido sólo a las corrientes ligadas.
El campo magnético H, por tanto, refactoriza la corriente ligada en términos de "cargas magnéticas". Las líneas del campo H hacen un bucle sólo alrededor de la "corriente libre" y, a diferencia del campo magnético B, comienza y termina también cerca de los polos magnéticos.
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Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un campo magnético?
R: Un campo magnético es un área alrededor de un imán en la que existe una fuerza magnética, creada por cargas eléctricas en movimiento.
P: ¿Cómo se puede determinar la fuerza de un imán?
R: La fuerza de un imán puede determinarse observando los espacios entre las líneas de flujo magnético: cuanto más juntas estén, más fuerte será el imán.
P: ¿Qué ocurre cuando las partículas tocan un campo magnético?
R: Cuando las partículas tocan un campo magnético, reciben energía de él.
P: ¿Qué significa que algo tenga energía y momento propios?
R: Tener energía e impulso propios significa que algo tiene propiedades propias que le permiten moverse o actuar independientemente de otros objetos o fuerzas.
P: ¿Cómo se mide la intensidad de un campo magnético?
R: La intensidad de un campo magnético se mide en unidades de teslas (unidades SI) o gauss (unidades cgs).
P: ¿Quién fundó la ley del electromagnetismo?
R: Michael Faraday fundó la ley del electromagnetismo.
P: ¿Qué ocurre cuando se colocan limaduras de hierro cerca de un imán?
R: Cuando se colocan limaduras de hierro cerca de un imán, se mueven y se ordenan formando líneas de flujo que muestran la dirección y la intensidad del campo magnético.
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Autor
AlegsaOnline.com Campo magnético: definición, líneas de flujo, unidades y aplicaciones Leandro Alegsa
URL: https://es.alegsaonline.com/art/60624
Fuentes
- books.google.com : Electromagnetism