campo magnético
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CAMPO MAGNÉTICO
Un Campo Electromagnético o radiación electromagnética es una combinación de ondas
que se propagan a través del espacio transportando diminutos paquetes de energía
(fotones) de un lugar a otro.
Por tanto, se trata de ondas con un campo eléctrico y un campo magnético que provocan
determinados efectos eléctricos y magnéticos de atracción y repulsión en un espacio.
Estos paquetes de energía son emitidos por fuentes naturales y artificiales.
Veamos ahora las principales características de los dos tipos de campo que generan la
radiación electromagnética.
Los campos eléctricos se producen por cargas eléctricas que crean un voltaje o tensión,
de manera que su magnitud crece cuando el voltaje aumenta. Podemos estar hablando
de una simple lámpara apagada conectada a la corriente. Las unidades del campo
eléctrico son voltios por metro.
Los campos magnéticos son el resultado del flujo de corriente a través de los
conductores o los dispositivos eléctricos y es directamente proporcional a esa corriente;
a más corriente más campo magnético. Las unidades del campo magnético son Gauss
(G) o Tesla (T).
Un dispositivo eléctrico que se enchufa, es decir que se conecta a una fuente de
electricidad tiene un campo eléctrico aún cuando el aparato este apagado. Para producir
un campo magnético, el aparato debe estar enchufado y encendido de forma que fluya
por él una corriente eléctrica.
Los campos eléctricos se ven apantallados o debilitados por los materiales que conducen
la electricidad, aún cuando esos materiales conduzcan muy pobremente la electricidad,
como por ejemplo los árboles, los edificios, y la piel humana.
Los campos magnéticos, sin embargo, atraviesan la mayoría de los materiales y es por
consiguiente más difícil apantallarlo. Ambos, los campos eléctrico y magnético
disminuyen rápidamente cuando la distancia a la fuente aumenta.
Aunque los equipos eléctricos, los aparatos y las líneas de alta o media tensión producen
campos eléctricos y magnéticos, las más recientes investigaciones han enfocado un
potencial efecto sobre la salud debido a la exposición sólo a campos magnéticos. Esto es
porque algunos estudios epidemiológicos han informado sobre el aumento del riesgo de
cáncer asociado con las estimaciones de la exposición a campos magnéticos. Ninguna
asociación similar se ha encontrado para los campos eléctricos; la mayoría de los
estudios realizados no han encontrado efectos biológicos debidos al campo eléctrico.
Sin embargo, no todas las radiaciones electromagnéticas son iguales y, por tanto, no
todas producen los mismos efectos.
Veamos a continuación qué tipos de radicaciones electromagnéticas existen:
Para poder identificar y diferencias las radiaciones electromagnéticas introduciremos
tres conceptos algo más técnicos, estos son la longitud de onda, su frecuencia y su
amplitud (que viene a determinar su intensidad o potencia).
La longitud de onda describe la distancia entre una cresta en la onda y la próxima cresta
de la misma polaridad, es decir, marca la longitud que recorre la onda durante un tiempo
igual a un período. La electricidad en Europa es alternante de 50 ciclos por segundo, es
decir, 50 Hz. En EEUU la frecuencia del campo eléctrico es 60 Hz.
Las Ondas Electromagnéticas pueden hacer más o menos oscilaciones en un segundo, y
al número de oscilaciones que hacen lo llamamos “su frecuencia”, cuya unidad de
medida es el Hertzio.
Estas Ondas Electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (300.000 Km/s), y se
clasifican en función del número de ciclos u oscilaciones que hacen en un segundo (es
decir, al recorrer 300.000 Km).
• Si hacen pocas oscilaciones decimos que son de Baja Frecuencia (por ejemplo, una
onda que hace una sola oscilación en un segundo, decimos que tiene una frecuencia = 1
Hz y recorre con una sola oscilación 300.000 Km)
• Si hacen muchas oscilaciones decimos que son de Alta Frecuencia (por ejemplo, si una
ondea hace 1.000.000.000 oscilaciones en un segundo, decimos que tiene 1.000.000.000
Hz = 1 GHz, y recorre 0,0003 Km o 30 cm en cada oscilación de onda.
FUERZA DE LORENTZ
Cuando una carga eléctrica en movimiento, se desplaza en una zona donde existe un
campo magnético, además de los efectos regidos por la ley de Coulomb, se ve sometida
a la acción de una fuerza.
Supongamos que una carga Q, que se desplaza a una velocidad v, en el interior de un
campo magnético B. Este campo genera que aparezca una fuerza F, que actúa sobre la
carga Q, de manera que podemos evaluar dicha fuerza por la expresión:
Como la fuerza es el resultado de un producto vectorial, será perpendicular a los
factores, es decir, a la velocidad y al campo magnético. Al ser perpendicular a la
velocidad de la carga, también lo es a su trayectoria, por lo cuál dicha fuerza no realiza
trabajo sobre la carga, lo que supone que no hay cambio de energía cinética, o lo que es
lo mismo, no cambia el módulo de la velocidad. La única acción que se origina, cuando
la partícula entra en el campo magnético, es una variación de la dirección de la
velocidad, manteniéndose constante el módulo.
Este cambio de dirección es debido a que la fuerza que aparece va a actuar como fuerza
centrípeta, originando un movimiento de rotación de la partícula en el interior del
campo magnético. En el gráfico que vemos al lado, observamos la fuerza producida,
que es la que originará ese cambio de dirección. B representa al campo, cuyo sentido es
hacia el interior de la página. F es la fuerza, que, como vemos, tiene dirección radial, es
decir, actúa como fuerza central y, v es la velocidad de la carga.
Existe una regla muy sencilla para obtener la dirección, obvia por ser el resultado de un
producto vectorial, y el sentido de la fuerza que actúa sobre la carga. Se conoce con el
nombre de la "Regla de la mano izquierda". Tal y como vemos en la figura, si
colocamos los dedos de la mano izquierda pulgar, índice y medio, abiertos y
perpendiculares entre sí, cada uno de ellos señala uno de los vectores:
Según se ve en el tema de Electrostática en el vacío, la fuerza eléctrica sobre una carga
puntual en reposo viene dada por
Sin embargo, si dicha carga se encuentra en movimiento, la experiencia muestra que se
ve sometida a una fuerza adicional. Esta fuerza, que llamaremos fuerza magnética,
verifica que es:
Proporcional a la carga
Proporcional al módulo de su velocidad
Perpendicular a la velocidad
Con estas condiciones, la fuerza magnética debe ser de la forma
siendo un nuevo campo, conocido como campo magnético. La fuerza total sobre una
carga puntual es entonces
Esta expresión, que es válida en general, tanto para situaciones estáticas como
dinámicas, se denomina Fuerza de Lorentz.
Trabajo magnético nulo
Una propiedad característica de la fuerza magnética sobre una carga magnética es que
no realiza trabajo, por siempre normal a la velocidad.
y por tanto permanece constante la energía cinética de una carga que se mueve en un
campo magnético.
En términos de las componentes intrínsecas de la aceleración, tenemos que la fuerza es
siempre normal a la velocidad y por tanto la aceleración tangencial es siempre nula
Si la aceleración tangencial es nula, la celeridad (módulo de la velocidad) permanece
constante
Una celeridad constante implica una energía cinética constante.
Esto quiere decir que una carga puntual que se mueve en el seno de un campo
magnético podrá cambiar de dirección de la velocidad (esto es, su movimiento sí será
acelerado), pero no se moverá ni más rápido ni más lento en ningún momento.
Hay que destacar que esta conclusión, que el campo magnético no realiza trabajo, es
sólo cierta para una carga puntual sometida a la fuerza de Lorentz. Si tenemos una
corriente eléctrica (formada por millones de partículas en movimiento) o un dipolo
magnético (que también experimenta fuerzas magnéticas) no es cierto que la energía
cinética permanezca constante. De hecho, los frenos magnéticos se basan en la
disminución de la energía cinética por acción de un campo magnético.
Unidades del campo magnético
De la expresión de la fuerza magnética resulta que, en el SI, se mide en
A esta unidad se la denomina Tesla, en honor del científico e ingeniero Nikola Tesla.
¿Y los imanes?
El concepto de campo magnético suele asociarse sobre todo con los imanes. Sin
embargo, las experiencias de Øersted de 1820 mostraron que: Las corrientes eléctricas
producen fuerzas magnéticas sobre los imanes.
A partir de ahí, Ampère por un lado y Biot y Savart por otro, postularon la expresión
simétrica:
Los imanes producen fuerzas magnéticas sobre las corrientes eléctricas
Y por tanto
Las corrientes eléctricas producen fuerzas magnéticas entre sí
Ampère postuló además que también las fuerzas magnéticas entre imanes son
interacciones entre corrientes. Puesto que las corrientes eléctricas no son más que
conjuntos de cargas en movimiento:
El magnetismo se reduce a la interacción entre cargas
La regla de la mano derecha
Es indispensable al estudiar el campo magnético: Si el índice apunta según v y el
corazón según B, el pulgar indica la fuerza.
ECUACIONES DE MAXWELL
Las ecuaciones de Maxwell permitieron ver en forma clara que la electricidad y el
magnetismo son dos manifestaciones de un mismo fenómeno físico, el
electromagnetismo. El fenómeno era similar a la gravitación, cuyas leyes fueron
descubiertas por Newton; así como un cuerpo masivo produce una fuerza gravitacional
sobre otro, un cuerpo eléctricamente cargado y en movimiento produce una fuerza
electromagnética sobre otro cuerpo cargado. La diferencia más importante es que la
magnitud y la dirección de la fuerza electromagnética dependen de la carga del cuerpo
que lo produce y también de su velocidad; por esta razón, la teoría del
electromagnetismo es más complicada que la teoría newtoniana de la gravitación, y las
ecuaciones de Maxwell son más complejas que la fórmula de Newton para la fuerza
gravitacional. Un aspecto común entre la gravitación y el electromagnetismo es la
existencia de una aparente acción a distancia entre los cuerpos, acción que tanto
disgustaba a Newton. Maxwell no resolvió ese problema, pero inventó un concepto que
desde entonces se ha utilizado constantemente en la física: el campo electromagnético.
Según esta interpretación, en todo punto del espacio alrededor de una carga existe una
fuerza electromagnética, cuya intensidad y dirección están definidas por medio de unas
fórmulas matemáticas. En realidad, más que un concepto, el campo es una definición
que da cierta consistencia a la idea de que una carga eléctrica actúa sobre otra lejana, sin
tener que recurrir a una acción a distancia. Sólo en el siglo XX se pudo encontrar cierta
base física a este concepto, pero en tiempos de Maxwell el campo electromagnético era
una noción matemática sumamente útil, descrita por ecuaciones, pero cuya realidad
física trascendía toda interpretación teórica. El primer éxito, y el más notable, de la
teoría de Maxwell fue la elucidación de la naturaleza de la luz. Maxwell demostró, a
partir de sus ecuaciones matemáticas, que la luz es una onda electromagnética que
consiste en oscilaciones del campo electromagnético. Así quedaba establecida, más allá
de cualquier duda, la naturaleza ondulatoria de la luz, tal como lo pensaba Huygens y en
contra de la opinión de Newton.
Las ecuaciones de Maxwell representan una de las formas mas elegantes y concisas de
establecer los fundamentos de la Electricidad y el Magnetismo. A partir de ellas, se
pueden desarrollar la mayoría de las fórmulas de trabajo en el campo. Debido a su breve
declaración, encierran un alto nivel de sofisticación matemática y por tanto no se
introducen generalmente en el tratamiento inicial de la materia, excepto tal vez como un
resúmen de fórmulas.
Estas ecuaciones básicas de la electricidad y el magnetismo se puede utilizar como
punto de partida para los cursos avanzados, pero generalmente se encuentran por
primera vez después del estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos, en forma de
ecuaciones unificadoras.
Símbolos usados
E = Campo eléctrico ρ = Densidad de carga i = corriente eléctrica
B = Campo magnético ε0 = permitividad J = densidad de corriente
D = Desplazamiento eléctrico μ0 = permeabilidad c = velocidad de la luz
H = Intensidad de campo magnético M = Magnetización P = Polarización
Ley de Gauss
Flujo eléctrico de una carga puntual en una superficie cerrada.
La ley de Gauss explica la relación entre el flujo del campo eléctrico y una superficie
cerrada. Se define como flujo eléctrico ( ) a la cantidad de fluido eléctrico que
atraviesa una superficie dada. Análogo al flujo de la mecánica de fluidos, este fluido
eléctrico no transporta materia, pero ayuda a analizar la cantidad de campo eléctrico (
) que pasa por una superficie.[3] Matemáticamente se expresa como:
La ley dice que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al
cociente entre la carga (q) o la suma de las cargas que hay en el interior de la superficie
y la permitividad eléctrica en el vacío ( ), así:[4] [5]
La forma diferencial de la ley de Gauss es
Donde es la densidad de carga en el vacío. Intuitivamente significa que el campo E
diverge o sale desde una carga , lo que se representa gráficamente como vectores que
salen de la fuente que las genera en todas direcciones. Por convención si el valor de la
expresión es positivo entonces los vectores salen, si es negativo estos entran a la carga.
Para casos generales se debe introducir una cantidad llamada densidad de flujo eléctrico
( ) y nuestra expresión obtiene la forma:
Ley de Gauss para el campo magnético
Artículos principales: Ley de Gauss y Monopolo magnético.
Las líneas de campo magnético comienzan y terminan en el mismo lugar, por lo que no
existe un monopolo magnético.
Experimentalmente se llegó al resultado de que los campos magnéticos, a diferencia de
los eléctricos, no comienzan y terminan en cargas diferentes. Esta ley primordialmente
indica que las líneas de los campos magnéticos deben ser cerradas. En otras palabras, se
dice que sobre una superficie cerrada, sea cual sea ésta, no seremos capaces de encerrar
una fuente o sumidero de campo, esto expresa la inexistencia del monopolo magnético.[6] Matemáticamente esto se expresa así:[5]
Donde es la densidad de flujo magnético, también llamada inducción magnética. Es
claro que la divergencia sea cero porque no salen ni entran vectores de campo sino que
este hace caminos cerrados. El campo no diverge, es decir la divergencia de B es nula.
Su forma integral equivalente:
Como en la forma integral del campo eléctrico, esta ecuación sólo funciona si la integral
está definida en una superficie cerrada.
Ley de Faraday-Lenz
La ley de Faraday nos habla sobre la inducción electromagnética, la que origina una
fuerza electromotriz en un campo magnético. Es habitual llamarla ley de Faraday-Lenz
en honor a Heinrich Lenz ya que el signo menos proviene de la Ley de Lenz. También
se le llama como ley de Faraday-Henry, debido a que Joseph Henry descubrió esta
inducción de manera separada a Faraday pero casi simultáneamente.[7] Lo primero que
se debe introducir es la fuerza electromotriz ( ), si tenemos un campo magnético
variable con el tiempo, una fuerza electromotriz es inducida en cualquier circuito
eléctrico; y esta fuerza es igual a menos la derivada temporal del flujo magnético, así:[8]
,
como el campo magnético es dependiente de la posición tenemos que el flujo magnético
es igual a:
.
Además, el que exista fuerza electromotriz indica que existe un campo eléctrico que se
representa como:
con lo que finalmente se obtiene la expresión de la ley de Faraday:[5]
Lo que indica que un campo magnético que depende del tiempo implica la existencia de
un campo eléctrico, del que su circulación por un camino arbitrario cerrado es igual a
menos la derivada temporal del flujo magnético en cualquier superficie limitada por el
camino cerrado.
El signo negativo explica que el sentido de la corriente inducida es tal que su flujo se
opone a la causa que lo produce, compensando así la variación de flujo magnético (Ley
de Lenz).
La forma diferencial de esta ecuación es:
Se interpreta como sigue: si existe una variación de campo magnético B entonces este
provoca un campo eléctrico E. En presencia de cargas libres como los electrones el
campo E puede desplazar las cargas y producir una corriente eléctrica. Esta ecuación
relaciona los campos eléctrico y magnético, y tiene otras aplicaciones prácticas cómo
los motores eléctricos y los generadores eléctricos y explica su funcionamiento. Más
precisamente, demuestra que un voltaje puede ser generado variando el flujo magnético
que atraviesa una superficie dada.
Ley de Ampere generalizada
Ampere formuló una relación para un campo magnético inmóvil y una corriente
eléctrica que no varía en el tiempo. La ley de Ampere nos dice que la circulación en un
campo magnético ( ) a lo largo de una curva cerrada C es igual a la densidad de
corriente ( ) sobre la superficie encerrada en la curva C, matemáticamente así:[5]
donde es la permeabilidad magnética en el vacío.
Pero cuando esta relación se la considera con campos que sí varían a través del tiempo
llega a cálculos erróneos, como el de violar la conservación de la carga.[9] Maxwell
corrigió esta ecuación para lograr adaptarla a campos no estacionarios y posteriormente
pudo ser comprobada experimentalmente por Heinrich Rudolf Hertz.
z. Maxwell reformuló esta ley así:[5]
En el caso específico estacionario esta relación corresponde a la ley de Ampère, además
confirma que un campo eléctrico que varía con el tiempo produce un campo magnético
y además es consecuente con el principio de conservación de la carga.[9]
En forma diferencial, esta ecuación toma la forma:
En medios materiales
Para el caso de que las cargas estén en medios materiales, y asumiendo que éstos son
lineales, homogéneos, isótropos y no dispersivos, podemos encontrar una relación entre
los vectores intensidad eléctrica e inducción magnética a través de dos parámetros
conocidos como permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética:[10]
Pero estos valores también dependen del medio material, por lo que se dice que un
medio es lineal cuando la relación entre E/D y B/H es lineal. Si esta relación es lineal,
matemáticamente se puede decir que y están representadas por una matriz 3x3. Si un
medio es isótropo es porque esta matriz ha podido ser diagonalizada y
consecuentemente es equivalente a una función ; si en esta diagonal uno de
los elementos es diferente al otro se dice que es un medio anisótropo. Estos elementos
también son llamados constantes dieléctricas y, cuando estas constantes no dependen de
su posición, el medio es homogéneo.[11]
Los valores de y en medios lineales no dependen de las intensidades del campo. Por
otro lado, la permitividad y la permeabilidad son escalares cuando las cargas están en
medios homogéneos e isótropos. Los medios heterogéneos e isótropos dependen de las
coordenadas de cada punto por lo que los valores, escalares, van a depender de la
posición. Los medios anisótropos son tensores.[10] Finalmente, en el vacío tanto como
son cero porque suponemos que no hay fuentes.
En la siguiente tabla encontramos a las ecuaciones como se las formula en el vacío y en
la forma más general.[12]
En el vacío Caso general
EL POTENCIAL VECTOR
De que el campo magnético sea solenoidal se deduce que puede escribirse como el
rotacional de otro campo vectorial, denominado potencial vector magnético
El campo eléctrico E se puede representar siempre como el gradiente de una función
potencial escalar
No hay potencial escalar general para el campo magnético B, pero se puede expresar
como el rotacional de una función vectorial
A esta función se le da el nombre de "potencial vector", pero no está directamente
relacionada con el trabajo de la forma en que lo está el potencial escalar.
El potencial vector se define para ser consistente con la ley de Ampere, y se puede
expresar en términos de la corriente i, o la densidad de corriente j (las fuentes del campo
magnético). En varios textos esta definición toma la forma
Una de las razones para el potencial vector es que, puede ser más fácil calcular el
potencial vector que, calcular el campo magnético directamente, a partir de una
determinada geometría de la fuente de corriente. Su aplicación más común está en la
teoría de la antena, y en la descripción de las ondas electromagnéticas.
Puesto que el campo magnético B se define como el rotacional de A, y como por la
identidad vectorial el rotacional de un gradiente es cero, entonces se puede añadir a
cualquier función arbitraria que se pueda expresar como el gradiente de una función
escalar, sin alterar el valor obtenido de B. Es decir se puede sustituir libremente A por
A', donde
Tales transformaciones se llaman transformaciones de gauge, y bastantes "gauges" se
han usado convenientemente, en tipos específicos de cálculo de la teoría
electromagnética.
Al demostrar la ley de Gauss para el campo magnético ya se da una expresión para este
potencial vector
con expresiones correspondientes para corrientes lineales o de superficie
Estas expresiones pueden superponerse, para una distribución compuesta de varios tipos
individuales. Sin embargo, esta expresión, aparte de que sólo vale para corrientes
estacionarias, no es la única posible.
Falta de unicidad
Dado un campo magnético, existen infinitos potenciales vectores posibles, los cuales se
diferencian en el gradiente de una función escalar arbitraria
siendo la demostración inmediata, sin más que tomar el rotacional de ambos miembros.
La libertad de elección de ψ hace que podamos tener potenciales vectores muy
diferentes para el mismo campo.
Aplicaciones
La utilidad del potencial vector es limitada, por su naturaleza vectorial, que hace que no
reduzca sustancialmente el problema del cálculo de .
Sirve como herramienta en los casos en que tenemos corrientes fluyendo siempre según
la misma componente. Por ejemplo, si podemos suponer . Si
podemos suponer . En estos casos el cálculo del
potencial vector se reduce a determinar una sola componente, de forma similar a como
se hace con el potencial escalar del campo electrostático. La otra utilidad del potencial
vector es su uso en deducciones teóricas acerca del campo magnético y para el
electromagnético, Uno de estos casos es en el desarrollo multipolar magnético.
El potencial vector es útil a la hora de calcular flujos magnéticos, ya que
siendo S una superficie apoyada en Γ y orientada según la regla de la mano derecha.
El potencial vector y el campo eléctrico
Artículo completo: Potenciales electromagnéticos
El potencial vector magnético no solo se relaciona con el campo . También existe una
relación con el campo eléctrico, consecuencia de la interrelación entre los campos
eléctrico y magnético. En situaciones no estacionarias tenemos que dos de las
ecuaciones de Maxwell son
De la primera ya sabemos que se deduce la existencia del potencial vector magnético.
Sustituyendo en la segunda (ley de Faraday) queda
y de aquí se deduce que
esto es, que en situaciones no estacionarias, el campo eléctrico no deriva de un potencial
escalar, sino que también incluye la derivada temporal del potencial vector magnético.
Ejemplos
Solenoide infinito
Para un solenoide cilíndrico de radio a y longitud finita, el campo magnético, obtenido
empleando las leyes de la magnetostática, es igual a
Un potencial vector del que deriva este campo cumple las ecuaciones
La primera de las dos ecuaciones es una condición extra que siempre podemos imponer
para determinar un potencial vector. La segunda ecuación nos dice que las fuentes
vectoriales de son uniformes y en la dirección Z dentro de un cilindro de radio a y
nulas en el exterior. Estas ecuaciones son completamente análogas a las que verifica el
campo magnético respecto de la densidad de corriente en el caso de un cable grueso. Por
ello, la expresión para el potencial vector es la análoga a la del campo magnético en ese
sistema;
Dipolo magnético
Para un dipolo magnético puntual , situado en el origen de coordenadas, el potencial
vector es igual a
Esta expresión es análoga al potencial eléctrico de un dipolo eléctrico
cambiando el producto escalar por el vectorial.
Bibliografía
http://ww.protegetedelmovil.com/que-es-un-campo-electromagnetico/
http://www.monografias.com/trabajos14/maxwell/maxwell.shtml
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Potencial_vector_magn%C3%A9tico