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Electricidad y magnetismo

Complementos de formación en Física y Química - Máster de Formación del Profesorado

José Miguel Méndez Fernández Página 2

Índice

Introducción.........................................................................................................................3

Un poco de historia............................................................................................................4

Electricidad...........................................................................................................................8

Magnetismo........................................................................................................................14

Inducción electromagnética........................................................................................19

Analogías entre campos................................................................................................22

Experiencias de laboratorio........................................................................................23

Aplicaciones.......................................................................................................................25

Bibliografía.........................................................................................................................29

Webgrafía............................................................................................................................29



Introducción

Para el estudio de estos temas es necesario que vengan con una cierta base de

los cursos anteriores, ya que este trabajo presupone un nivel de 2º de Bachiller,

con la consecuente base en el alumnado de 3º ESO y 1º de Bachiller. Se hará un

repaso histórico en el que brevemente se enunciarán las leyes que ya deben

conocer, a modo de repaso, así como la asociación de las unidades con sus

"descubridores", para que puedan verlo de una manera más amena y no

únicamente mediante las fórmulas y su aplicación.

"La física nos rodea y explica multitud de fenómenos, algunos increíbles, que

presenciamos con nuestros propios ojos. Es necesaria y base fundamental del

conocimiento. Prácticamente cualquier cosa, no únicamente ciencia se explica con

leyes físicas, desde el movimiento de los astros gigantes del Universo hasta las

interacciones de partículas subatómicas tan diminutas que no podríamos apreciar

sin algunas de las aplicaciones que la ciencia ha desarrollado. Es por todo esto y

más que la física, que nos envuelve y a la cual estamos sometidos, queramos o no,

es un elemento imprescindible en el estudio en ESO y Bachiller."



Un poco de historia

Conviene refrescar la memoria y moverse años atrás para poder ver la

evolución de la ciencia a lo largo del tiempo para poder comprobar cómo afecta y

cómo ha evolucionado. Esta evolución supone un punto interesante del tema para

que los alumnos comprendan mejor la ciencia y su contexto, para que puedan

mirar hacia el futuro.

Tales de Mileto (630-550 a.C.): Primero en conocer el hecho de que el

ámbar, al ser frotado, adquiere el poder de atracción sobre algunos objetos

ligeros.

Teofrasto (374-287 a.C.): Primer estudio científico sobre la electricidad.

William Gilbert, 1600: Estudio de los imanes para mejorar la exactitud de

las brújulas de navegación (por orden de la Reina Isabel I).

Primero en aplicar el término electricidad, del griego elektron (Ámbar)

Gilbert es la unidad de la fuerza electromotriz en CGS

1 Gilbert = 0.79577 A·vuelta

Otto van Guericke, 1672: Primera máquina electrostática para producir

cargas eléctricas.

Francois de Cisternay Du Fay: Primero en identificar la existencia de 2

cargas eléctricas, las cuales denominó vítrea y resinosa.

E.G. Von Kleist y Pieter Van Musschenbroeck: Crean el primer aparato para

almacenar carga eléctrica en 1745, llamado la Botella de Leyden.

Benjamin Franklin, 1752: Demostró la naturaleza eléctrica de los rayos.

Desarrolló la teoría de la electricidad como fluido que existía en la materia y

su flujo se debía a exceso o defecto del mismo en ella.

Invento el pararrayos.

Joseph Priestly, 1766: Prueba que la fuerza que se ejerce entre las cargas

eléctricas varía inversamente proporcional a la distancia que las separa.

Charles Agustín de Coulomb, 1785: Inventó la balanza de torsión con la cual

midió con exactitud la fuerza entre cargas eléctricas y corroboró que dicha



fuerza era proporcional al producto de las cargas individuales e

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Culombio (C) es la unidad de medida de carga eléctrica

Alejandro Volta, 1800: Primera celda electrostática y la batería capaz de

producir corriente eléctrica. Desarrolló la pila.

Voltio (V) es la unidad de tensión/diferencia de potencial.

Luigi Galvani: estudio sobre las corrientes nerviosas-eléctricas en las ancas

de rana.

Sir Humphrey Davy, 1801: Observa el arco eléctrico y la incandescencia en

un conductor energizado con una bateria.

Desarrolla la electroquímica.

1815: Toma como asistente a Michael Faraday.

Simón-Denis Poisson, 1812: Describe las leyes de la electrostática

(aplicación matemática).

Georg Simon Ohm, 1826: Formuló con exactitud la ley de las corrientes

eléctricas. Ohm es la unidad de resistencia eléctrica.

Siendo la Ley de Ohm 𝑅 = 𝑉𝐼

[=]Ω = 𝑉𝐴

Hans Christian Oersted, 1819: Descubre el electromagnetismo.

Oersted (Oe) es la unidad de medida de reluctancia magnética.

Jean-Baptiste Biot y Félix Savart, 1820: Determinan la Ley de Biot y Savart

mediante la que calculan la fuerza que ejerce un campo magnético sobre

una carga y definen que la intensidad de campo magnético producido por

un potencial es inversamente proporcional a la distancia al cuadrado.

André-Marie Ampère, 1823: Establece los principios de la electrodinámica.

Amperio (A) es la unidad de medida de la corriente eléctrica.

Joseph Henry, 1828: Perfeccionó los electroimanes. Desarrolló el concepto

de inductancia propia.



Michael Faraday, 1831: Demostró la tensión inducida en la bobina que se

mueve en un campo magnético no uniforme.

Faradio (F) es la unidad de medida de capacitancia eléctrica.

Samuel F.B. Morse, 1835: Concibe la idea del telégrafo. La primera línea se

construyó en 1844.

James Prescott Joule y Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz, 1840-1842:

Demuestran que los circuitos eléctricos cumplía la Ley de Conservación de

la Energía y que la electricidad es una forma de energía.

Joule inventó la soldadura eléctrica de arco y demostró que el calor

generado por la corriente eléctrica era proporcional al cuadrado de la corriente.

Efecto Joule: si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía

cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren

con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la

temperatura del mismo. Se expresa como Q=I2·R·t

Julio ( J ) es la unidad de medida de Energía.

Gustav Robert Kirchhoff, 1845: Leyes de Kirchhoff I y II.

Leyes de Kirchhoff:

Ley de los nodos: ΣIi=0

Ley de las mallas: ΣVi=0

James Clerk Maxwell, 1870: Formuló las 4 ecuaciones que sirven de

fundamento de la teoría electromagnética. Reescritas en 1884 por Heinrich

Rudolph Hertz quien, además, demostró su validez.

Leyes de Maxwell:

Ley de Gauss

Ley de Gauss para el campo magnético

Ley de Faraday-Lenz

Ley de Ampère generalizada

Maxwell (Mx) es la unidad de flujo magnético.



Hertz (Hz) es la unidad de frecuencia.

Alexander Graham Bell,1876: Inventó el teléfono.

Joseph John Thomson, 1879: Demuestra que los rayos catódicos estaban

constituidos de partículas atómicas de carga negativa, los electrones.

Nikola Tesla, 1888: Desarrolló la teoría de campos rotantes, base de los

generadores y motores polifásicos de corriente alterna.

Tesla (T) es unidad de densidad de flujo magnético.



Electricidad El tema de electricidad es un tema que suele presentar dificultades en

determinados puntos y dar ciertas definiciones acompañadas de un apoyo visual,

no solo resulta más estimulante para el alumnado, sino que hace que las

explicaciones se lleven de manera más dinámica y calen mejor en las mentes de

alumnos y alumnas.

Se ha de comenzar esta parte con el estudio de algo básico, las cargas. Sus

propiedades o características son necesarias para sustentar las explicaciones

posteriores.

Existe el fenómeno llamado electrización, que consiste en la pérdida o

ganancia de electrones. La materia es neutra y presenta dos tipos de carga, por

convenio, positiva y negativa. Cargas del mismo signo se repelen, y de distinto

signo se atraen, siendo las cargas múltiplos enteros de una carga elemental, la del

electrón, siendo ésta negativa.

Conocidas las propiedades de las cargas, es hora de pasar a explicar una de las

leyes fundamentales de la electricidad y de gran aplicación en el tema, la Ley de

Coulomb.

Enunciado: “La fuerza con que se atraen o repelen dos cargas eléctricas

puntuales son directamente proporcionales al producto de dichas cargas e

inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa”:

Como puntos necesarios a comentar, se trataría de que las fuerzas son

vectoriales, cuyo módulo se puede calcular con facilidad y se verá en los

problemas. Son fuerzas de acción-reacción, lo que quiere decir que siempre hay un

par de fuerzas y que actúan sobre cuerpos distintos.

K es una constante de proporcionalidad, depende del sistema de unidades y del

medio dieléctrico interpuesto entre las dos cargas, siendo de la forma:

siendo:

εr: Permitividad relativa (constante dieléctrica relativa del medio)



ε0: Permitividad del vacío.

ε: Permitividad absoluta: ε=εr·ε0

En este caso se ha apoyado la introducción de la ley con una animación flash

para que el alumnado pueda ver la interacción entre dos cargas positiva-positiva y

positiva-negativa y como variando la distancia entre ellas varía la fuerza, si ambas

cargas son unitarias.

Se desarrolla el valor de la constante a partir de las permitividades, para el

SI(Sistema Internacional):

Se puede aplicar el principio de superposición: En una distribución arbitraria

de cargas, la fuerza que ejerce una carga sobre otra es independiente de las fuerzas

que ejerzan las demás.

Para el mejor entendimiento de la ley se ha usado, en este caso también, otra

animación flash en la que se puede ver como, a una distancia constante, las fuerzas

aumentan o disminuyen cambiando el valor y signo de las cargas.

Problema propuesto: "Dadas 2 cargas eléctricas positivas, iguales, situadas a

una distancia r, calcula el valor que ha de tener una carga negativa situada en el

punto medio del segmento que definen las dos primeras para que el sistema esté

en equilibrio. "

A continuación, se procede a la introducción del campo eléctrico mediante la

definición general de campo, que también han visto en esta misma asignatura en la

parte de gravitación, por lo que el concepto no les será desconocido.



Campo: Se denomina campo de fuerzas a aquella región del espacio donde, al

colocar un punto material, aparece instantáneamente una fuerza sobre él.

Para el campo eléctrico: es la región del espacio donde existe la acción atractiva

o repulsiva de una carga; es decir, la acción de una fuerza de origen electrostático

perfectamente definida en intensidad, dirección y sentido.

Introducción de elemento flash que representa el cambio del campo al

introducir una carga en el seno de un campo eléctrico creada por una carga

puntual fija.

Un campo eléctrico queda definido por estos 3 elementos:

Intensidad de cada uno de sus puntos.

Líneas de fuerza.

Potencial en cada uno de los puntos.

Una vez conocido esto, se muestra otro flash con las líneas de campo creadas

por una carga puntual positiva, de manera que les sea visual el concepto de campo.

A continuación se procede a explicar la intensidad de campo eléctrico, una vez

visto y entendido, se supone, el concepto de campo.

La intensidad de campo eléctrico en un punto es el cociente entre la fuerza que

actúa sobre una carga situada en dicho punto y la magnitud de esta carga.

𝐸�⃗ =�⃗�𝑄

[=]𝑁𝐶

≡𝑉𝑚

Un ejemplo de intensidad de campo eléctrico:

Intensidad de campo creada por una carga puntual aislada:

Y a continuación, se les propondría un problema, o unos cuantos, dedicado a

esta parte del tema:

" En los puntos A(3,0) y B(0,-4)(coordenadas expresadas en metros) se

encuentran situadas, respectivamente, las cargas Q1=-8nC y

Q2=+(32/3)nC. Hallar la intensidad del campo eléctrico en el origen de

coordenadas. El medio es el vacío."



Posteriormente, y con los conceptos de campo e intensidad de campo

afianzados, se procede a explicar el concepto de líneas de campo.

Líneas de campo: Líneas tangentes al vector intensidad de campo en cada

punto del espacio. Éstas líneas son imaginarias, su concepto fue introducido

por Faraday, son líneas abiertas que salen siempre de las cargas positivas

(fuentes) o del infinito y terminan en el infinito o en las cargas negativas

(sumideros).

Dos líneas de campo no pueden cortarse pues habría un punto con dos valores

del campo, ya que este ha de ser tangente a la línea de campo, y a continuación se

les mostraría un flash donde se muestran dos cargas puntuales, pudiendo ser

cualquier combinación entre positiva y negativa, y las líneas de campo que se dan

entre ellas.

Tras finalizar el concepto de líneas de campo, habrá de explicarse el Teorema

de Gauss, siendo una parte de gran demostración matemática que habrá de ser

abreviada pues puede suponer un escollo bastante considerable para la mayoría

del alumnado, sin perder la objetividad, el rigor y sin bajar el nivel en exceso,

cumpliendo con los objetivos mínimos que se prevén.

Enunciado: “El flujo neto que atraviesa una superficie cerrada (superficie

gaussiana, como la figura al margen) en un campo eléctrico es igual a la suma algebraica

de las cargas eléctricas encerradas en su

interior dividida entre la constante dieléctrica absoluta del medio en que se

encuentran.”

Suponiendo una carga Q en el origen de

coordenadas, O, rodeada de una esfera de

radio r (esfera de Gauss), el flujo de campo eléctrico a través de la misma es:



Se admite, con validez general que, dada una distribución cualquiera de carga,

el flujo de campo creado por ella a través de cualquier superficie cerrada que

contenga una carga Q :

Llegados a este punto, se podría explicar, a modo de curiosidad, el efecto

acusado en puntas, el llamado viento eléctrico, poder de las puntas, donde la

ionización del aire producido por la acumulación de cargas en una esquina

relativamente aguda provoca la inclinación de una llama.

Tras esta parte, con una carga matemática relativamente más alta que las

anteriores, se puede dar la definición de potencial eléctrico.

Una carga Q crea una perturbación en el espacio que la rodea. La consideramos

en el origen de coordenadas de un sistema cartesiano y colocamos una segunda

carga, q, móvil en el punto P definido por el vector r.

Si suponemos que la partícula se desplaza desde el punto A al punto B

siguiendo la trayectoria L, calculamos el trabajo realizado por las fuerzas del

campo.

El trabajo solo depende de las posiciones inicial y final, no de la trayectoria. Se

define la función energía potencial eléctrica:



Se llama potencial en un punto de un campo eléctrico a la energía potencial por

unidad de carga:

Y a continuación se plantea un problema sencillo de potencial eléctrico:

"Dadas dos cargas de valores 1nC y -2nC, situadas en los puntos A(0,0,0) y

B(2,0,0), respectivamente, calcula:

El potencial en el punto C(1,1,1)

El potencial en el punto D(0,1,0)

El trabajo realizado para llevar una carga de 1μC desde el primer

punto al segundo(de C a D)

Coordenadas expresadas en metros."



Magnetismo La parte histórica del magnetismo puede verse aparte, si se quiere, aunque es

difícil separar electricidad y magnetismo en función de una revisión histórica, así

que puede verse todo junto, si es menester, en la parte introductoria, pero se

recomendaría, y así se hizo durante la presentación, intentar separarlas para

intentar captar la atención de nuevo del alumnado y ofrecer un pequeño descanso

matemático tras la parte de electricidad, pues la carga de los temas posteriores es,

también, cuantiosa.

Al igual que se hizo en electricidad, se comienza el tema con un vistazo a los

conceptos básicos que sustentarán el tema:

Dipolo: Dos cargas o masas magnéticas de valor +p y –p separadas por una

distancia l.

Momento dipolar magnético: 𝑚��⃗ = 𝑝 · 𝑙

Orientado a lo largo del imán y dirigido de polo sur(-) a polo norte(+).

Es una acción a distancia. Un polo magnético crea campo magnético.

𝐵�⃗ = 𝐾𝑚𝑝𝑟2 𝑢�⃗ [=]𝑇

Donde el vector B es la intensidad de campo magnético (inducción

magnética).

Fuerza sobre otro polo magnético colocado en sus proximidades:

�⃗� = 𝑝′ · 𝐵�⃗

También puede representarse por líneas de campo. Ojo, campo NO

conservativo.

Con estos 4 puntos podemos comenzar con la explicación de campo magnético:

Si se centra el estudio de campo magnético, por ejemplo, creado por una

corriente rectilínea indefinida, por el que se hace circular una corriente y se

estudia el efecto producido sobre una aguja imantada de prueba por el campo

magnético que crea la corriente en el espacio que rodea al conductor, se observan

3 acciones:

Perpendicular al plano que pasa por dicho polo y la corriente.

Directamente proporcional a la intensidad de corriente.

Inversamente proporcional a la distancia del polo a la corriente.



La expresión para el campo magnético es:

𝐵 = 𝐾𝐼𝑟

siendo 𝐾 = 2 · 10−7𝑇 · 𝑚 · 𝐴−1 ≡ 2 · 10−7𝑁 · 𝐴−2

con el sentido del campo según la regla de la

mano derecha (ver figura adjunta).

A continuación, se introduce la Ley de Biot-Savart, sin hacer toda la integración

previa de la 2ª Ley de Laplace, a través de la cual se obtiene, y junto la expresión

anteriormente vista para el campo:

𝐵 =𝜇0

2𝜋𝐼𝑟

siendo μ0 la permeabilidad magnética del vacío, 4π·10-7N·A-2.

La permeabilidad magnética del medio viene definida como μ=μr·μ0.

Para concluir, se ha propuesto una actividad de aplicación directa de la ley:

" Dados dos conductores rectilíneos, indefinidos, paralelos, separados por

una distancia de un metro, por los que circulan sendas corrientes de 1ª, del

mismo sentido, calcula la intensidad del campo magnético que crea cada

uno de ellos en la posición del otro."

Todo esto nos lleva a poder introducir el Teorema de Ampère. Recordando, el

campo magnético es no conservativo, lo que quiere decir que la trayectoria sí

influye en él.

El Teorema de Ampère establece el valor del vector intensidad de campo

magnético a lo largo de una línea cerrada:

“La circulación del campo magnético a lo largo de una línea cerrada es

directamente proporcional a la intensidad de corriente que atraviesa el área

encerrada por dicha línea.”

� 𝐵�⃗ · 𝑑𝑙

𝐿= 𝜇 · 𝐼

La constante de proporcionalidad es la permeabilidad magnética del medio.



Los teoremas de Ampère y Gauss son teoremas derivados de otros generales

(Stokes y el propio Gauss) que pueden aplicarse a campos vectoriales cualquiera.

Con estos conocimientos, se puede calcular la fuerza ejercida por un campo

magnético sobre una carga móvil, a través de la fuerza de Lorentz.

Es una fuerza en la dirección del campo, y éste no ejerce acción alguna sobre la

carga móvil. En cualquier otra dirección la carga está sometida a la fuerza de

Lorentz:

𝐹 = 𝑞 · 𝑣 · 𝐵 · sin 𝜑

La dirección viene marcada por la regla de Maxwell o regla de la mano

izquierda (ver figura siguiente).

Para terminar con algo más distendido pero no menos importante, se puede

hacer mención al magnetismo natural(o material)

Todas las sustancias de la naturaleza reaccionan imanándose cuando se les

aplica un campo magnético, pero hay diversos tipos de comportamiento frente a

este estímulo:

Diamagnéticas: μ<μ0. En la sustancia se crea un momento magnético de

sentido opuesto al campo aplicado.

siendo las líneas verdes el campo magnético y la línea azul el momento

magnético que se genera.



Paramagnéticas: μ>μ0. Se genera un momento magnético con misma

dirección y sentido que el campo aplicado.

siendo las líneas verdes el campo magnético y la línea azul el momento

magnético que se genera.

Ferromagnéticas: Orientación del momento magnético de los distintos

dominios de la sustancia. μ>>>μ0 Su orientación al campo aplicado será

mayor en función de la intensidad del campo.

Antiferromagnéticas: Momentos magnéticos ordenados debido a

interacciones entre ellos pero con ordenación diferente, antiparalelos, de

modo que compensan sus efectos y la tendencia a imanar la sustancia se

contrarresta por esta interacción.

Ferrimagnéticas: Como las antiferromagnéticas pero los momentos

magnéticos, aún estando paralelos, son mayores en un sentido que en otro.

Esta imanación puede destruirse con la temperatura.



Aunque en las dos últimas no se haya representado el campo, se

sobreentiende que hay un campo aplicado igual al de las demás.

Superparamagnéticas: Pulverizando una sustancia ferromagnética a un

tamaño de partícula del orden de sus dominios o inferior, logramos que

presente un comportamiento paramagnético pero mucho mayor (105

veces).



Inducción electromagnética A partir de las evidencias experimentales descubiertas a lo largo de la

historia, la ciencia se encontró con que existían otros fenómenos

relacionados con la electricidad y el magnetismo, y es aquí donde se

introduce el flujo magnético.

Considerando un campo magnético B y una superficie elemental dS

caracterizada por el vector dS, se llama flujo elemental del campo a través de

dicho elemento de superficie:

𝑑Φ = 𝐵�⃗ · 𝑑𝑆 = 𝐵 · 𝑑𝑆 · cos 𝜑

Si se trata de una superficie finita:

Φ = � 𝐵�⃗ · 𝑑𝑆

𝑆

Si la superficie es cerrada:

Φ = � 𝐵�⃗ · 𝑑𝑆

𝑆= 0

Las unidades son: Φ[=]𝑊𝑏 ≡ 𝑇 · 𝑚2

Tras esto, se ha de introducir una de las leyes más importantes que los

alumnos han de ver en estos temas, que es la Ley de Faraday.

Fuerza ejercida sobre una carga móvil por un campo magnético:

�⃗� = 𝑞 · ��⃗�𝑥𝐵�⃗ �

Suponiendo un conductor metálico en vertical, que se desplaza

horizontalmente de izquierda a derecha en un campo magnético transversal

dirigido “hacia atrás”, los electrones libres existentes en el conductor metálico se

verán sometidos a la acción de una fuerza vertical hacia abajo (al aplicar la regla de

la mano izquierda, sentido “convencional” de la corriente y no el real) originándose

una separación de cargas en los extremos del conductor. Si los extremos reposan

sobre un bastidor metálico en forma de U (ejemplificada en la figura siguiente),

mientras dure el desplazamiento se originará una corriente que tienda a disminuir

el exceso de carga, lo que permite suponer que esto equivale a un generador de

fuerza electromotriz (f.e.m.), ε.



Por el principio de conservación de la energía, el trabajo mecánico empleado

en el desplazamiento habrá de ser igual al trabajo desarrollado por la fuerza que

obliga a los electrones a dirigirse de un extremo a otro del conductor. Potencia

mecánica y potencia eléctrica se igualan y el trabajo realizado por la fuerza de

Lorentz es:

𝑊 = 𝐹 · 𝑙 = 𝑞 · 𝑣 · 𝐵 · 𝑙

y por tanto,

𝜖 =𝑊𝑞

= 𝑣 · 𝐵 · 𝑙

Al desplazarse el conductor, al cabo de Δt, hay una disminución del flujo debido

a la disminución de área:

∆𝛷 = 𝐵 · (−∆𝑆) = −𝐵 · ∆𝑆 = −𝐵 · 𝑙 · 𝑣 · ∆𝑡

∆𝛷∆𝑡

= −𝐵 · 𝑙 · 𝑣

𝜀 = 𝐵 · 𝑙 · 𝑣 = −∆Φ∆𝑡

[=]𝑉

Ley de Faraday (varias espiras): 𝜀 = − ∆Φ∆𝑡

· 𝑁

“El valor de la f.e.m. inducida es independiente de las causas que provocan la variación de flujo y solamente depende de la mayor o menos rapidez con que varía

el flujo a través de la superficie limitada por el circuito y del número de espiras que

éste posee.”



Por último en este tema, no porque no se dé más, que estos temas son muy

extensos, sino por ser el último punto que se tocó de esta parte de inducción, dar la

definición de la Ley de Lenz.

“El sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones

electromagnéticas tienden a oponerse a la causa que las produce.”

Se aplica para determinar el sentido de la

corriente inducida la regla de la mano

derecha (según figura adjunta).



Analogías y diferencias entre campos

Se muestran algunas de las analogías y diferencias entre campos.

El campo gravitatorio y eléctrico son campos conservativos, mientras que el

magnético no lo es.

Las líneas de fuerza de los campos gravitatorio y eléctrico son abiertas,

mientras que las de campo magnético son cerradas.

Las líneas del campo gravitatorio empiezan en el infinito, las de

campo eléctrico pueden empezar en fuentes.

Los campos conservativos permiten definir una función escalar a partir de

la cual se construyen superficies equipotenciales.

Fuerzas centrales en los campos conservativos.

Las fuerzas del campo gravitatorio son siempre de atracción.

Tanto campo eléctrico como magnético ejercen fuerzas sobre cargas

eléctricas.

Cualquier cuerpo material crea un campo gravitatorio, para crear uno

eléctrico hace falta, además, que el cuerpo esté cargado.



Experiencias de laboratorio 1. Limaduras de hierro para "visualizar" las líneas de fuerza del campo

magnético.

Material necesario:

a. Limaduras de hierro

b. Imanes

c. Un papel

d. Un salero para rellenar con las

limaduras de hierro y poder

espolvorearlas más fácilmente (ver figura).

¿Qué vamos a hacer?

Vamos a cubrir un imán con una hoja

de papel y vamos a espolvorear

lentamente las limaduras sobre el

papel. Observa como las limaduras se

van orientando y dibujando las líneas

de campo (se adjuntan 3 ejemplos en las figuras adyacente).

2. Imanes que levitan.

Material necesario

a. Imanes anulares. Se pueden obtener de los auriculares que se

utilizan para los aparatos de música (walkman, radios, etc), una

vez que se han estropeado.

b. Una pajita para refrescos.



c. Una bolita de plastilina

¿Qué vamos a hacer?

Sujeta la pajita con la bola de

plastilina de forma que quede vertical.

Ensarta un imán través de la pajita. Añade

más imanes procurando que se enfrenten

siempre polos opuestos. Observa cómo los

imanes levitan unos sobre otros.

3. Jaula de Faraday.

Fundamento

Una jaula de Faraday es una pantalla eléctrica, una superficie

conductora que rodea un espacio hueco impidiendo las

perturbaciones producidas por campos eléctricos externos. En

esta experiencia vamos a ver de una forma muy sencilla el efecto

de una jaula de Faraday.

Material que vas a necesitar:

a. Un receptor de radio a pilas.

b. Una hoja de papel de aluminio (el que se utiliza para envolver

los alimentos).

c. Una hoja de papel de periódico

¿Cómo realizamos el

experimento?

Con el receptor de radio vas a

sintonizar una emisora que se

oiga bien y potente. Envuelve

el receptor en el papel de

periódico y observa lo que

ocurre. Verás que la radio sigue oyéndose normalmente.

Vuelve a realizar el experimento, pero ahora con el papel de

aluminio. ¿Qué ocurre? Observa que en cuanto queda cubierta

con el papel de aluminio el aparato de radio deja de sonar.



El papel de aluminio que envuelve al aparto de radio forma una

jaula de Faraday que impide que capte los campos

electromagnéticos que transportan la señal.

En las imágenes se pueden ver ejemplos de jaulas de Faraday

realizadas de manera casera.



Ejemplos de aplicaciones 1. Nanopartículas magnéticas contra el

cáncer.

Las nanopartículas de magnetita

(Fe3O4) muestran características

como agentes de contraste en técnicas

de imagen basadas en resonancia

magnética nuclear.

Generan calor cuando se las somete a campos magnéticos alternos en

un proceso denominado calentamiento magnético.

En las imágenes se pueden ver

partículas de magnetita vistas a

través de un TEM o un ejemplo

de cómo las nanopartículas

magnéticas son más específicas

y no hace falta distribuirlas por

todo el organismo como en otras

técnicas que se emplean

actualmente.

2. Maglev.

Los trenes de levitación magnética que utilizan la atracción y la

repulsión de electroimanes de polaridad opuesta para sostenerse en el

aire y producir fuerza motriz. La ausencia de vías férreas trae aparejada

diversas ventajas:

mayor velocidad

reducción de ruidos, vibraciones y oscilaciones

escaso impacto ambiental (con respecto a los fuertes campos

electromagnéticos que se generan entre el tren y el raíl, estos

trenes disponen de una carrocería aislada que protege a los

pasajeros).



El problema residiría en la gran cantidad de energía necesaria para

sostener en el aire, aunque sea a 10 cm del suelo, a un tren de 10.000

kilos (la energía que mueve un tren tradicional del mismo peso debe

multiplicarse por cuarenta para realizar este trabajo). Este problema ha

sido resuelto en gran medida por los estudios sobre los campos

magnéticos superconductores; su fundamento es la superconductividad,

mediante la cual se anula la resistencia eléctrica de las envolturas y

toda la energía eléctrica del sistema se reutiliza sin pérdida alguna.

En la imagen abajo colocada se puede ver un ejemplo de este tipo de

trenes.

3. Sincrotrón.

Acelerador de partículas, derivado del ciclotrón que usa un campo

magnético constante para curvar la trayectoria de las partículas,

aceleradas mediante un campo eléctrico también constante, mientras

que en el sincrotrón ambos campos varían.

Al atravesar los imanes curvadores, wigglers y onduladores, las

partículas emiten radiación en un amplio rango de longitudes de onda.



En las figuras se muestran un esquema general de un sincrotrón y casos

particulares de algunos elementos magnéticos que contiene.

4. Envasado de alimentos.

Puede ser tanto de campos magnéticos como de pulsos eléctricos.

Ruptura dieléctrica: El campo eléctrico da lugar a una polarización de las

células y como consecuencia hay un incremento de la permeabilidad de la

membrana. Esta permeabilidad depende de la intensidad y tiempo de

duración del campo que se aplique.

En la figura se puede ver un esquema de una cadena de envasado de

alimentos funcionando con un pulsador repetitivo de alto voltaje.

El efecto conservador de los campos magnéticos se debe,

fundamentalmente, a dos fenómenos:

Ruptura de la molécula de ADN y de ciertas proteinas

Rotura de enlaces covalentes en moléculas con dipolos magnéticos.



Bibliografía

"Física general" - J.A. Fidalgo y M.Fernández - Ed. Everest. "Ciencias de la naturaleza y la salud", Física 2, Tecnología - M. Gisbert

Briansó y J.L. Hernández Neira - Ed. Bruño. "Física y química" 1º Bachillerato - A.J. Vasco Merino, A. Pozas

Magariños, A. Rodríguez Cardona, A. Peña Sainz, J.A. García Pérez y R. Martín Sánchez - Ed. McGraw Hill.

"Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones" - R.D. Zysler, R.D. Sánchez, L. Steren - Ciencia Hoy Vol.15 Nº85 (feb-mar 2005).

"Síntesis, funcionalización y caracterización de nanopartículas magnéticas con estructura núcleo-cáscara" - P.E. Lloret, C.A. Moina, G.O. Ybarra - Congreso SAM / CONAMET 2007.

"Kinetics of Microbial Inactivation for Alternative Food Processing Technologies: Oscillating Magnetic Fields" - U.S. Food and Drug Administration; Center for Food Safety and Applied Nutrition - June 2, 2000.

"Innovaciones en el procesado de alimentos: Tecnologías no térmicas" - A.M. Herrero, M.D. Romero de Ávila - Rev. Med. Univ. Navarra/Vol 50, Nº4, 2006, 71-74.

"Application of Pulsed Electric Fied (PEF) Techniques in Food Processing" - Department of Chemical and Food Engineering - Francesca de Vito.

Webgrafía

http://www.esrf.eu http://es.wikipedia.org http://www.educaplus.org

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