Magnetismo

Magnetismo REVISTA

Magnet贸sfera

Fuerzas: Lorentz y Laplace

Experimentos de Oersted

Ley De Biot-Savart

sumario 4-Historia del magnetismo 6- Magnet贸sfera 7.- Historia de la magnetosfera

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9- Experimentos

10- Experimento de Faraday 11- Inducci贸n Magn茅tica

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Magnetismo Editor: María Laura García Rivero.

E

ditorial

La editora se complace en presentar una edición especial, mostrando a un grupo de notables científicos, los cuales han dejado un legado importante en el área de la física, específicamente en el campo magnético. De igual forma, se hará una breve mención de sus experimentos cuyos resultados se han profundizado cada vez más desde el momento en el que fue descubierto por los griegos.

NUESTRA PORTADA Campo Magnético Terrestre Foto: Google imágenes

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Historia del Magnetismo L

os fenómenos magnéticos

fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro, y que los trocitos de hierro atraídos atraían a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales.

El primer filósofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre 625 a. C. y 545 a. C. En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV a. C. titulado Libro del amo del valle del diablo: «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por este». La primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae a la aguja».

El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckham fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica en 1187.

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Peter Peregrinus de Maricourt, fue un estudioso francés del siglo XIII que realizó experimentos sobre magnetismo y escribió el primer tratado existente para las propiedades de imanes. Su trabajo se destaca por la primera discusión detallada de una brújula. El cosmógrafo español Martín Cortés de Albacar, formado en Zaragoza y en la escuela de pilotos de Cádiz, descubrió y situó el polo magnético en Groenlandia en 1551 pa ra los navegantes españoles e ingleses (su libro fue traducido y muy reimpreso en Inglaterra) facilitando así considerablemente la navegación. Galileo Galilei y su amigo Francesco Sagredo se interesaron en el magnetismo engastando un buen trozo de roca magnética de más de kilo y medio en un bello artilugio de madera; la magnetita se disponía de tal manera que, a modo de imán, atraía una bola de hierro de casi cuatro kilos de peso; pero la falta de aplicaciones prácticas y económicas del invento desalentó más experimentación por parte de estos destacados científicos italianos.

En 1600 el médico y físico William Gilbert publicó en Londres su obra De magnete, magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure; Physiologia noua, plurimis & argumentis, & experimentis demostrata ("Sobre el imán y los cuerpos magnéticos y sobre el gran imán la Tierra"), para abreviar citado como De magnete, que estableció las bases del estudio profundo del magnetismo consignando las características y tipologías de los imanes y realizando todo tipo de experimentos cuidadosamente descritos.

Observó que la máxima atracción ejercida por los imanes sobre los trozos de hierro se realizaba siempre en las zonas llamadas "polos" del imán. Clasificó los materiales en conductores y aislantes e ideó el primer electroscopio Descubrió la imantación por influencia y fue el primero en apercibir que la imantación del hierro se pierde al calentarlo al rojo. Estudió la inclinación de una aguja magnética concluyendo que la Tierra se comporta como un gran imán.

El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes hasta que en 1820 Hans Christian Oersted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente que ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese entorno. Muchos otros experimentos siguieron con André-Marie Ampere, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday y otros que encontraron vínculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y explicó estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell. Unificó el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas leyes para comprobar su teoría de la relatividad especial, en el proceso mostró que la electricidad y el magnetismo estaban fundamentalmente vinculadas.

Aguja rotatoria de una brújula en una copia de la Epístola de Magnete (1269) Peter Peregrinus de Maricourt

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MAGNETÓSFERA

E

s una región alrededor de un planeta en la

que el campo magnético de éste desvía la mayor parte del viento solar formando un escudo protector contra las partículas cargadas de alta energía procedentes del Sol. La magnetosfera terrestre no es única en el Sistema Solar y todos los planetas con campo magnético: Mercurio, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, poseen una magnetosfera propia. Ganímedes, satélite de Júpiter, tiene un campo magnético pero demasiado débil para atrapar el plasma del viento solar. Marte tiene una muy débil magnetización superficial sin magnetosfera exterior.

Las partículas del viento solar que son detenidas forman los cinturones de Van Allen. En los polos magnéticos, las zonas en las que las líneas del campo magnético terrestre penetran en su interior, parte de las partículas cargadas son conducidas sobre la alta atmósfera produciendo las auroras boreales o australes. Tales fenómenos aurorales han sido también observados en Júpiter y Saturno.

ESTRUCTURA En la parte más externa y amplia de la atmósfera de un planeta. La magnetosfera interacciona con el viento solar en una región denominada magnetopausa que en la dirección al sol es de menor tamaño, y en dirección contraria es sumamente extendida.

En el caso de la Tierra se encuentra a unos 100 000 km.

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Por delante de la magnetopausa se encuentra la superficie de choque entre el viento solar y el campo magnético. En esta región el plasma solar se frena rápidamente antes de ser desviado por el resto de la magnetósfera. Las partículas cargadas del viento solar son arrastradas por el campo magnético sobre los polos magnéticos dando lugar a la formación de auroras polares.

HISTORIA DE LA MAGNETÓSFERA

En 1959 Thomas Gold propuso el nombre de la magnetósfera, cuando escribió: "La región por encima de la ionosfera, en la que el campo magnético de la tierra, predomina sobre las corrientes de gas y partículas rápidas cargadas, se sabe que se extiende en un distancia del orden de 10 radios terrestres, por lo que podría ser llamada apropiadamente como magnetósfera"

La magnetosfera terrestre fue descubierta en 1958 por el satélite estadounidense Explorer I. Antes de ello se conocían algunos efectos magnéticos en el espacio ya que las erupciones solares producían en ocasiones tormentas magnéticas en la Tierra detectables por medio de ondas de radio. No obstante, nadie sabía cómo o por qué se producían estas corrientes. También era desconocido el viento solar.

Antes de esto, los científicos sabían que fluía la corriente eléctrica en el espacio debido a las erupciones solares. No se sabía, sin embargo, cuándo esas corrientes fluían ni por qué. En agosto y septiembre de1958, el Ejercito de los Estados Unidos inició el Proyecto Argus se realizó para probar una teoría sobre la formación de los cinturones de radiación que pueden tener uso táctico en la guerra.

Explorer I, 1958

Estudios de la magnetósfera El 3 de junio de 2007, los satélites especializados en el estudio del campo magnético terrestre, las auroras y la magnetósfera, descubrieron un hueco muy grande en el campo magnético, lo que permite que la radiación (principalmente en viento solar) penetre hasta el interior de la magnetósfera, y sobrecargue la misma.

Anteriormente había hipótesis sobre huecos en el campo magnético, pero el hueco encontrado es diez veces más grande de lo que se pensaba. El tamaño de la abertura era de aproximadamente 4 veces el diámetro de la tierra.

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CAMPO MAGNETICO Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud. El término magnetismo tiene su origen en el nombre que en la época de los filósofos griegos recibía una región del Asia Menor, entonces denominada Magnesia; en ella abundaba una piedra negra o piedra imán capaz de atraer objetos de hierro y de comunicarles por contacto un poder.

Las fuerzas características de los imanes se denominan fuerzas magnéticas. El desarrollo de la física amplió el tipo de objetos que sufren y ejercen fuerzas magnéticas. Las corrientes eléctricas y, en general, las cargas en movimiento se comportan como imanes, es decir, producen campos magnéticos. Siendo las cargas móviles las últimas en llegar al panorama del magnetismo han permitido, sin embargo, explicar el comportamiento de los imanes, esos primeros objetos magnéticos conocidos desde la antigüedad.

Las fuerzas magnéticas dan información sobre la carga que lleva un material a través del efecto Hall. La interacción de los campos magnéticos en dispositivos eléctricos tales como transformadores es estudiada en la disciplina de circuitos magnéticos.

Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga eléctrica en movimiento y el momento magnético intrínseco de las partículas elementales asociadas con una propiedad cuántica fundamental, su espín. En la relatividad especial, campos eléctricos y magnéticos son dos aspectos interrelacionados de un objeto, llamado el tensor electromagnético.

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EXPERIMENTOS Experimento de OERSTED: la unión entre electricidad y magnetismo.

En 1819, el físico danés H. C. Oersted estaba experimentando con circuitos, cuando ocurrió algo inesperado. Sobre la mesa de su laboratorio había una brújula cercana a los cables del circuito, y comprobó con sorpresa que el imán de su aguja se desviaba cada vez que circulaba corriente por el cable.

El experimento de Oersted fue muy sencillo: colocó una aguja imantada próxima a un conductor por el que circulaba una corriente eléctrica. Increíblemente la aguja se desvió evidenciando la presencia de un campo magnético. La conclusión era bastante sencilla: las corrientes eléctricas generan campos magnéticos, demostrándose de esta manera la relación entre corrientes eléctricas y campos magnéticos.

El valor del campo magnético (B) creado por un hilo por el que circula una corriente de intensidad I en un punto situado a una distancia r, viene dado por la ley de Biot-Savart:

El experimento de Oersted puso por primera vez de manifiesto que existía una conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. La publicación de este trabajo causó inmediatamente sensación, dando lugar a muchas interrogantes y estimulando un gran número de investigaciones. A partir de esta experiencia pudo revelarse la verdadera naturaleza del magnetismo, cuyo origen debe situarse en el movimiento de cargas eléctricas. Tomando como punto de partida el experimento de Oersted, a fines de 1820 se conocían las primeras leyes cuantitativas de la electrodinámica y hacia 1826 Ampère ultimaba una teoría que permaneció durante casi 50 años, hasta la formulación de la teoría electromagnética por Maxwell.

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Experimento de FARADAY

Algunos años más tarde, en 1831, el físico inglés M. Faraday se preguntó lo siguiente: si con la corriente eléctrica se puede simular el efecto de un imán, ¿funcionará también al contrario? Es decir, ¿podré obtener corriente eléctrica a partir de un imán?

Faraday empezó a investigar acerca de esto hasta que descubrió que el magnetismo puede originar en un conductor corrientes eléctricas. Como resultado de este descubrimiento, los hombres no dependerían de las pequeñas corrientes eléctricas que efectúa la acción química en las pilas o baterías. Gracias a esto se basan los generadores eléctricos.

En 1831, Michael Faraday descubrió las corrientes inducidas al realizar un

En otros experimentos, Faraday descubriría que moviendo un imán a través de un circuito cerrado se generaba una corriente inducida en el circuito. Además, esta corriente también aparecía al mover el alambre sobre un imán quieto.

Gracias a estos descubrimientos, Michael Faraday construiría la primera dinamo eléctrica, sentando las bases de los generadores y motores eléctricos.

experimento con una bobina y un imán.

La respuesta a la pregunta que se había hecho Faraday era afirmativa: un imán crea una corriente eléctrica en un cable cuando el imán o el cable se ponen en movimiento.

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INDUCCIÓN MAGNÉTICA 10 años más tarde, Faraday llevó a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir la inducción electromagnética

E

s el proceso mediante el cual

campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.

Cualquier dispositivo (batería, pila, entre otros) que mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.

Utilizando dos bobinas alrededor de un anillo de hierro, Faraday suministró corriente eléctrica a través de una de las dos bobinas. Analizando la otra bobina, descubrió que aparecía intensidad eléctrica por ella: la corriente inducida.

Experimento de Faraday que muestra la inducción entre dos espiras de cable: La batería (derecha)aporta la corriente eléctrica que fluye a través de una pequeña espira (A), creando un campo magnético. Cuando las espiras son estacionarias, no aparece ninguna corriente inducida. Pero cuando la pequeña espira se mueve dentro o fuera de la espira grande(B), el flujo magnético a través de la espira mayor cambia, induciéndose una corriente que es detectada por el galvanómetro (G).

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FLUJO MAGNÉTICO El flujo magnético (representado por la letra griega fi φ), es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las lineas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb (motivo por el cual se conocen como weberímetros los aparatos empleados para medir el flujo magnético). En el sistema cegesimal se utiliza el maxwell (1 weber =108 maxwells).

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[Wb]=[V]·[s] Si el conductor de una bobina se encuentra arrollado sobre un núcleo de material férrico el flujo en el interior de la bobina es superior (del orden de decenas, centenas, e incluso, miles de veces) que si el núcleo fuera el vacío o el aire, donde el flujo es más disperso. Como resultado de ello, para una misma sección, S, de paso de flujo, la inducción desciende. Así pues, el campo magnético creado depende del tipo de sustancia del espacio en donde se encuentra localizada la bobina por cuyo hilo conductor circule la intensidad de la corriente eléctrica.

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Flujo magnético por una espira Vectores normales a una superficie dada Cuantización del flujo magnético en un anillo superconductor

Fuerza de Lorentz Es la fuerza ejercida por el campo electromagnético que recibe una partícula cargada o

Hendrik Antoon Lorentz (Arnhem, Paises Bajos, 18 de Julio de 1853)

una corriente eléctrica.

Cuando una carga eléctrica puntual q se mueve, con una velocidad v, en una zona donde existe un campo magnético B, se ve sometida a la acción de la Fuerza de Lorentz que va a ser perpendicular al plano formado por los vectores velocidad e intensidad del campo:

F = q·v·B·sen α

Al ser la fuerza perpendicular a la velocidad de la carga, también lo será al desplazamiento y no realiza trabajo sobre la carga, en consecuencia, la energía cinética de la partícula cargada no cambia.

Al ser la fuerza perpendicular a la velocidad de la carga, va a actuar como fuerza centrípeta (Fc=m (v2/r) originando un movimiento de rotación de la partícula en el interior del campo magnético.

Donde α es el ángulo formado por los vectores velocidad e intensidad del campo magnético.

Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, cuando una partícula cargada entra en un campo magnético el módulo de la velocidad no cambia, lo único que se modifica es su dirección.

Fuerza sobre una partícula cargada. Fuerza sobre una corriente.

Trayectoria bajo la fuerza de Lorentz de una partícula cargada en un campo magnético constante, según el signo de la carga eléctrica.

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Fuerza de Laplace Pierre Simon Laplace

Es una ley física que relaciona el cambio de presiones en la superficie que separa dos fluidos de distinta naturaleza con las fuerzas de línea debidas a efectos moleculares. En su forma más general se puede expresar como:

donde ΔP es el salto de presión entre superficies (siempre mayor en el lado cóncavo), σ =Tensión superficial y ambas R son dos radios de curvatura perpendiculares. A veces se usa H = 1/R , siendo H la curvatura de la superficie.

Lo cual pone de manifiesto que el salto de presiones en un punto de la superficie solo depende del valor de la tensión superficial y de la curvatura media de la superficie en ese punto.

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Ley de Biot-Savart Poco después de que Hans Christian Oersted descubriera en 1820 que la aguja de una brújula era desviada por un conductor que conducía corriente, Jean Baptiste Biot y Felix Savart concluyeron que un conductor que conduce una corriente estable ejercía una fuerza sobre un imán. A partir de sus resultados experimentales, Biot y Savart llegaron a una expresión que brinda el campo magnético en algún punto en el espacio en términos de la corriente que produce el campo.

Al mostrar un plano M atravesando por un conductor rectilíneo que lleva una corriente de intensidad I en el sentido indicado. Considerando una pequeña longitud l del conductor, la corriente que pasa a través de este elemento de longitud origina en un punto P situado a la distancia r una inducción magnético elemental Cuyo módulo viene dado por la siguiente ecuación, llamada ley de Biot-Savart:

El sentido del vector puede determinarse aplicando la regla del pulgar . Este vector es perpendicular al plano que determina r y l.

La ley de Biot-Savart no puede determinarse experimentalmente, porque es imposible aislar un pequeño elemento l.de corriente, pero se considera verdadera, porque al aplicarla a circuitos completos los resultados obtenidos son correctos. Es importante observar que la ley de BiotSavart proporciona el campo magnético en un punto sólo para pequeños elementos del conductor.

Para aplicar la ley de Biot-Savart a un circuito completo se considera dicho circuito dividido en elementos l de corriente, cada uno de los cuales origina en un punto determinado P una inducción magnética elemental de módulo B. Efectuando la sumatoria de estas inducciones elementales se obtiene el módulo B de la inducción magnética o campo magnético resultante.