Campo magnético- fisicoquimica

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CAMPO MAGNÉTICO 
¿Qué es un campo magnético? 
Un campo magnético es una idea que usamos como herramienta para 
describir cómo se distribuye una fuerza magnética en el espacio alrededor y 
dentro de algo magnético. 
Como cuando hablamos de la fuerza debida a un imán (o cualquier fuerza, para el caso), 
esta tiene que actuar sobre algo. Estrictamente hablando, un campo vectorial de fuerzas 
nos dice la magnitud y la dirección de la fuerza que actúa sobre una partícula de prueba en 
cualquier punto. 
Para la fuerza eléctrica, la partícula de prueba que usamos es el electrón. Resulta que no 
hay una partícula equivalente para la fuerza magnética. Al tal partícula la llamamos 
monopolo magnético. Hasta donde sabemos, los monopolos magnéticos no existen; todas 
las fuentes de campo magnético son dipolares por naturaleza. 
La mayoría de nosotros estamos familiarizados con objetos magnéticos cotidianos y 
reconocemos que pueden existir fuerzas entre ellos. Comprendemos que los imanes tienen 
dos polos y que dependiendo de su orientación se atraen (polos opuestos) o se repelen 
(polos iguales), y sabemos que existe una región alrededor de ellos donde esto sucede. El 
campo magnético describe esta región. 
Típicamente representamos el campo magnético de dos maneras diferentes: 
1. Describimos matemáticamente el campo magnético como un campo vectorial. 
Podemos representar directamente este campo como un conjunto de vectores 
dibujados en una cuadrícula. Cada vector apunta en la dirección en la que lo haría 
una brújula y su magnitud depende de la fuerza magnética. 
Una brújula no es más que un pequeño imán suspendido de tal manera que puede 
rotar libremente en respuesta a un campo magnético. Como todos los imanes, la 
aguja de la brújula tiene un polo norte y un polo sur, que son atraídos o repelidos 
por los polos de otros imanes. Cuando colocamos la brújula en un campo magnético 
intenso, las fuerzas de atracción y repulsión mueven la aguja hasta que se alinea con 
la dirección del campo. Arreglar muchas brújulas en un patrón de cuadrícula y 
colocar este patrón en un campo magnético ilustra esta técnica. La única diferencia 
en este caso es que una brújula no muestra la intensidad del campo. 
 
 
 
 
En esta figura podemos observar la representación del campo vectorial de un imán 
de barra. 
2. Una forma alternativa para representar la información contenida en un campo 
vectorial es por medio de las líneas de campo. En esta representación, omitimos la 
cuadrícula y conectamos los vectores con líneas suaves. Podemos dibujar tantas 
líneas como queramos. 
En esta figura podemos ver la representación del campo de un imán de barra por 
medio de líneas de campo. 
La descripción por medio de líneas de campo tiene algunas propiedades útiles: 
• La líneas de campo magnético nunca se cruzan. 
• Las líneas de campo magnético se amontonan de forma natural en las 
regiones donde el campo es más intenso. Esto significa que la densidad de 
líneas de campo indica la intensidad del mismo. 
• Las líneas de campo magnético no comienzan ni terminan en algún lugar, 
siempre forman curvas cerradas y continúan dentro de un material 
magnético (aunque no siempre las dibujamos de esta forma). 
• Necesitamos una manera de indicar la dirección del campo. Para esto, a 
menudo dibujamos flechas sobre las líneas, aunque a veces no lo hacemos. 
En estos casos, debemos indicar la dirección de alguna otra forma. Por 
razones históricas, la convención es etiquetar una región como "norte" y otra 
como "sur" y dibujar solo las líneas que van de uno a otro "polo", así como 
suponer que las líneas van de norte a sur. Usualmente colocamos las 
etiquetas "N" y "S" en los extremos de una fuente de campo magnético, 
aunque, estrictamente hablando, esto es arbitrario y no hay nada especial 
sobre estas regiones. 
El campo magnético de la Tierra se genera por el movimiento del hierro en 
su núcleo. Los polos del campo magnético terrestre no necesariamente 
están alineados con sus polos geográficos. Actualmente están desalineados 
por alrededor de 10∘, y pueden voltearse durante periodos geológicos. En 
este momento el polo sur magnético se encuentra cerca del polo norte 
geográfico; esta es la razón por la cual el polo norte de una brújula apunta 
hacia él (los polos opuestos se atraen). 
• En el mundo real, podemos visualizar las líneas de campo de forma sencilla. 
Comúnmente lo hacemos con limadura de hierro esparcida alrededor de una 
superficie cercana a algo magnético. Cada partícula de la limadura se 
comporta como un pequeño imán con un polo norte y un polo sur. Las 
partículas de limadura naturalmente se separan unas de otras porque los 
polos similares se repelen. El resultado es un patrón semejante a las líneas 
de campo. Mientras que el patrón general siempre será el mismo, la posición 
exacta y la densidad de las líneas de limadura dependen de cómo caigan sus 
partículas, su tamaño y sus propiedades magnéticas. 
 
En es figura podemos observar las líneas de campo magnético alrededor de un imán de 
barra visualizadas por medio de limadura de hierro. 
 
¿Cómo medimos campos magnéticos? 
Puesto que el campo magnético es una cantidad vectorial, hay dos aspectos que 
necesitamos medir para describirlo: su intensidad y su dirección. 
La dirección es fácil de medir. Podemos usar una brújula, que se alinea con el campo. Las 
brújulas se han usado para navegar (utilizando el campo magnético de la Tierra) desde el 
siglo XI. 
Interesantemente, medir la intensidad es mucho más difícil. Los primeros magnetómetros 
funcionales estuvieron disponibles hasta el siglo XIX. Para funcionar, la mayoría de estos 
magnetómetros aprovechan la fuerza que siente un electrón cuando se mueve a través un 
campo magnético. 
La medición precisa de campos magnéticos pequeños solo ha sido práctica desde el 
descubrimiento, en 1988, de la magnetorresistencia gigante en materiales especiales de 
capas múltiples. Este descubrimiento en la física fundamental fue rápidamente aplicado a 
la tecnología que usan los discos duros para almacenar datos en las computadoras, y como 
consecuencia la capacidad de almacenamiento aumentó más de mil veces en pocos años(de 
0.1 a 100 Gbit/pulgada^2 entre 1991 y 2003). En 2007, Albert Fert y Peter Grünberg 
recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento. 
 En el sistema SI, la unidad del campo magnético es el tesla (cuyo símbolo es T, nombrado 
en honor a Nikola Tesla). Definimos el tesla en términos de cuánta fuerza ejerce un campo 
magnético sobre una carga. Un pequeño imán de refrigerador produce un campo de 
alrededor de 0.001 T y el campo magnético de la Tierra es de alrededor de 5 x 10-5 T. A 
menudo se usa una medida alternativa, el gauss (cuyo símbolo es G). 
Entre estas dos medidas hay un factor de conversión muy simple: 1T=104 G. Usamos los 
gauss a menudo porque un campo de 1 tesla es muy grande. 
En términos de ecuaciones, denotamos la magnitud del campo eléctrico con el símbolo B. 
También puede que veas una cantidad llamada "intensidad de campo magnético", 
denotada con el símbolo H. Tanto B como H tienen las mismas unidades, pero H toma en 
cuenta el efecto de que los campos magnéticos se concentran en los materiales magnéticos. 
Para problemas simples que se desarrollan en el aire, no necesitas preocuparte por esta 
distinción. 
¿Cuál es el origen del campo magnético? 
El campo magnético ocurre siempre que una carga está en movimiento. Conforme se pone 
más carga en más movimiento, la magnitud del campo magnético crece. 
El magnetismo y los campos magnéticos son un aspecto de la fuerza electromagnética, una 
de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. 
Hay dos formas básicas con las que podemos lograr que una carga se mueva, y generar así 
un campo magnético útil: 
1. Generar un flujo de corriente en un alambre; por ejemplo, al conectar un alambre a 
una batería. Conformeincrementamos la corriente (cantidad de carga en 
movimiento), el campo magnético se incrementa proporcionalmente. Si nos 
alejamos del alambre, el campo disminuye de forma inversamente proporcional a la 
distancia. 
La ley de Ampere describe este fenómeno. Simplificada para decirnos cuál es 
el campo magnético a una distancia r de un alambre muy largo por donde 
pasa una corriente I, la ecuación es: 
B= Campo magnético 
μ0= permeabilidad del vacío 
I= corriente 
r= distancia 
En esta ecuación μ0 es una constante especial conocida como permeabilidad 
del vacío, y está dada por 
Algunos materiales tienen la habilidad de concentrar campos magnéticos; 
este fenómeno ocurre con los materiales que tienen una alta permeabilidad. 
Ya que el campo magnético es un vector, también necesitamos conocer la 
dirección. Para la corriente convencional que fluye a través de un alambre 
recto, podemos encontrarla con la regla del agarre de mano derecha: 
imagina que agarras el alambre con la mano derecha y tu pulgar apunta en 
la dirección en la que fluye la corriente; los dedos muestran la dirección del 
campo magnético que se envuelve alrededor del alambre. 
La regla del agarre de la mano derecha es un atajo útil, pero tiene un origen 
más fundamental: el producto cruz vectorial. También es conocida como la 
regla de la taza de café o la regla del sacacorchos. 
En esta imagen observamos la regla del agarre de la mano derecha para 
encontrar la dirección del campo magnético (B) basados en la dirección de la 
corriente (I). 
2. Explotar el hecho de que los electrones (que están cargados) para tener cierto 
movimiento alrededor de los núcleos de los átomos. 
Para comprender los campos magnéticos alrededor de los imanes, básicamente es 
suficiente pensar en un electrón como una bola sólida cargada que gira alrededor 
del núcleo, que también es sólido. Sin embargo, esta abstracción puede llevarnos al 
error conceptual de que los electrones pueden girar a diferentes velocidades y, por 
lo tanto, producir diferentes campos magnéticos. Resulta que esto no es verdad; el 
electrón solo puede tener ciertos valores posibles de momento angular, los cuales 
están descritos por la estructura cuántica del átomo. 
Así es como funcionan los imanes permanentes. Como sabemos por experiencia, 
solo algunos materiales "especiales" pueden volverse imanes y algunos imanes son 
mucho más fuertes que otros, así que ciertas condiciones específicas son necesarias: 
• Aunque los átomos a menudo tienen muchos electrones, en su mayoría se 
"aparean" de tal forma que el campo magnético total de un par se cancela. 
Decimos que dos electrones apareados de esta manera tienen espines 
opuestos . Así, si queremos que algo sea magnético, necesitamos átomos 
que tengan uno o más electrones desapareados con el mismo espín. El 
hierro, por ejemplo, es un material "especial" que cuenta con cuatro de tales 
electrones, y por lo tanto es bueno para hacer imanes. 
• Aun un pequeño pedazo de material contiene miles de millones de átomos. 
Si todos están orientados de manera aleatoria, el campo total se cancela, sin 
importar cuántos electrones desapareados tenga el pedazo. El material tiene 
que ser lo suficientemente estable a temperatura ambiente para permitir 
que se establezca una orientación preferente. Si esta orientación se 
establece permanentemente, entonces tenemos un imán permanente, 
también conocido como ferroimán. 
• Algunos materiales solo pueden ordenarse lo suficiente para volverse 
magnéticos cuando están bajo la presencia de un campo magnético externo. 
El campo externo alinea hacia arriba los espines de todos los electrones, pero 
esta alineación desaparece una vez que cesa el campo externo. Decimos que 
este tipo de materiales son paramagnéticos. 
El metal de una puerta de refrigerador es un ejemplo de un material 
paramagnético. La puerta en sí no es magnética, pero se comporta como un 
imán cuando colocamos otro imán sobre ella. Entonces, ambos imanes se 
atraen lo suficiente para mantener la lista de compras ensangüichada entre 
ellos. 
 
 
 
 
Cancelar el campo de la Tierra 
 
La Figura muestra una configuración en la que una brújula se encuentra cerca de un alambre 
vertical. Cuando no pasa corriente por el alambre, debido al campo magnético terrestre, la 
brújula apunta hacia el norte (supón que la magnitud del campo magnético terrestre es 
5.10-5 T). 
Ejercicios 
 1. 
¿Qué corriente (magnitud y dirección) necesitamos para cancelar el campo de la Tierra y 
"confundir" la brújula? 
Primero necesitamos expresar la ley de Ampere para un alambre recto en términos de la 
corriente: 
 
 
 
 
 
Luego ponemos los datos que ya conocemos: 
• como sabemos que la distancia r de la brújula al alambre es 0.05m 
• la permeabilidad del vacío es 
• Y el campo magnético de terrestre es de 5.10-5 T 
Reemplazamos los datos 
 
Respuesta 
Para cancelar el campo magnético y confundir la brújula necesitamos 3 factores 
importantes: 
1. Que la corriente sea bastante grande y que supere la fuente de típica de un 
loboratorio que es alrededor de 3A 
2. También necesitamos conocer la dirección del campo por medio de la regla del 
agarre de la mano derecha, para colocar nuestro pulgar de tal forma que nuestros 
dedos apunten en la dirección opuesta a la que señala la brújula. 
3. Que la corriente debe fluir hacia dentro de la pantalla. 
Así podremos cancelar en campo magnético y confundir a la brújula.