MAGNETISMO

(Hans Christian Oersted; Rudkobing, Dinamarca, 1777-Copenhague, 1851) Físico y químicodanés que descubrió la acción magnética de las corrientes eléctricas. Estudió Física y Farmaciaen la Universidad de Copenhague. Terminados sus estudios, en 1794 fue nombrado adjunto dela Facultad de Medicina. A comienzos de 1820, Oersted advirtió de forma casual, mientrasrealizaba observaciones sobre el fenómeno eléctrico con una pila análoga a la construida por A.Volta en 1800, que la aguja de una brújula colocada en las proximidades de un hilo conductorpor el que circulaba una corriente eléctrica se desviaba. Repitió incesantemente estosexperimentos con pilas más potentes y observó que la aguja oscilaba hasta formar un ángulorecto con el hilo y con la línea que unía la brújula y el hilo.Oersted demostró poco después que no sólo el cable recorrido por una corriente ejercíafuerzas sobre un imán (la aguja de la brújula): también el imán desarrollaba una fuerza sobrela bobina (carrete formado por hilo conductor) por donde circulaba una corriente eléctrica,actuando un extremo de la bobina como el polo norte de un imán y el otro como el polo sur.Se establecía así la conexión entre los fenómenos eléctrico y magnético.Ampère conoció los experimentos de Oersted en septiembre de 1820, lo que le sirvió paradesarrollar poco más tarde la teoría que sería el punto de partida del electromagnetismo.Cuanto más se aceptaban las teorías de Ampère por parte de otros sabios, más se reconocía laautenticidad e intuición de Oersted, tanto en la comunidad científica como entre susconciudadanos. Tras este descubrimiento, el sabio danés siguió contando con un prestigio yuna fama que nunca menguaría hasta el momento de su muerte. En 1825 realizó unaimportante contribución a la química, al ser el primero en aislar y producir aluminio.200.000 personas acudieron a su entierro y la población danesa sintió mucho su muertepuesto que gracias a sus descubrimientos y a sus dotes de orador, había contribuido atransmitir una imagen activa y positiva de Dinamarca.

C U R S O: FÍSICA COMÚN

MATERIAL: FC-26

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Las primeras observaciones de fenómenos magnéticos son muy antiguas. Se cree que fueronrealizadas por los griegos en una ciudad de Asia menor, denominada Magnesia. Encontraronque en tal región existían ciertas piedras que eran capaces de atraer trozos de fierro. En laactualidad se sabe que dichas “piedras” están constituidas por óxido de fierro (magnetita); yse denominan imanes naturales. El término magnetismo se usó, entonces para designar elconjunto de las propiedades de estos cuerpos, en virtud del nombre de la ciudad donde fuerondescubiertos.

Se observó que un trozo de fierro colocado cerca de un imán natural, adquiriría sus mismaspropiedades. De esta manera fue posible obtener imanes “no naturales” (artificiales) de variasformas y tamaños, utilizando trozos o barras de fierro con formas y tamaños diversos.

El magnetismo es una propiedad de la carga en movimiento y está estrechamente relacionadocon el fenómeno eléctrico. De acuerdo con la teoría clásica, los átomos individuales de unasustancia magnética son, en efecto imanes con los polos norte y sur. La polarizaciónmagnética de los átomos se basa principalmente en el espín de los electrones y se debe, sóloen parte, a sus movimientos orbítales alrededor del núcleo.

Los átomos en un material magnético están agrupados en microscópicas regiones magnéticasconocidas como dominios. Se piensa que todos átomos dentro de un dominio estánpolarizados magnéticamente a lo largo de un eje cristalino. En un material no magnetizado,estos dominios se orientan en direcciones al azar y si un gran número de dominios se orientanen la misma dirección, el material mostrará fuertes propiedades magnéticas.

Todo imán tiene dos polos; el polo norte magnético (N) y el polo sur magnético (S). Entreestos polos se cumple la misma relación que entre las cargas eléctricas: polos del mismonombre se repelen y polos de distinto nombre se atraen. Además cada vez que un imánse divide, de los trozos resultan nuevos imanes, cada uno con un polo norte y un polo sur. Porlo tanto un imán no puede tener un único polo.

fig. 1

Se repelen

Se atraen

3

En general cuando un cuerpo magnético se acerca a otro material tiende a producirse unreordenamiento de los momentos magnéticos de los átomos del material. Sin embargo, larespuesta depende del tipo de material.

Un material ferromagnético que permanezca durante un cierto tiempo junto a un imán,adquiere propiedades magnéticas y se transforma en un imán y el material se dicemagnetizado o imantado. El acero es un material que, después de ser imantado, mantiene laspropiedades magnéticas durante largo tiempo. La tabla muestra una clasificación de materialesen relación a como se comportan en presencia de cuerpo magnético.

La brújula es un instrumento con una aguja magnetizada con libertad de girar alrededor deun eje, esta aguja se orienta indicando la dirección y el sentido Norte-Sur magnéticos, de lacomponente en el plano de rotación, del campo magnético local en el cual esté inmersa.

Tipo de material Características Comportamiento Ejemplos

FerromagnéticosSon atraídos porun imán

Reordenamiento yalineación de losmomentos magnéticosde los átomos

Hierro y susaleaciones conCobalto, Níquel yAluminio

ParamagnéticosSon atraídosdébilmente porun imán

La alineación de losmomentos magnéticoses mínima

Platino, Aluminio,Calcio, Sodio yTungsteno

Diamagnéticos

No son atraídospor un imánnatural, e inclusopueden serrepelidos por él

Alineación de losmomentos es nula ocontraria a ladirección delmomento del materialmagnético

Mercurio, Plata, Oro,Cobre, Plomo ySilicio

fig. 2

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Campo Magnético

Un imán genera en su entorno un campo magnético que es el espacio perturbado por lapresencia del imán. El campo magnético se representa por líneas de campo magnético quevan desde el polo norte hacia el polo sur, la magnitud del campo es máxima en los polos ydisminuye a la alejarse de ellos y del imán. Es a través del campo magnético que el imánpuede ejercer fuerzas sobre otros cuerpos.

En la figura 3 se muestra el campo magnético de un imán de barra. Observe que las líneas decampo son continuas y cerradas.

Un campo magnético rodea a la Tierra, como si el planeta tuviera un enorme imán en suinterior y cuyos polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos de su eje (fig. 4). Estose produce porque las posiciones de los polos magnéticos no son constantes y muestrannotables cambios de año en año. El magnetismo de la Tierra es el resultado del movimientoque se produce dentro de ella.

La teoría sugiere que el núcleo de hierro es líquido (excepto en el mismo centro, donde lapresión solidifica el núcleo) y que las corrientes de convección, que se producen dentro delmismo, crean un gigantesco campo magnético.

La orientación del campo magnético se ha desplazado a través del tiempo con respecto a loscontinentes, pero se cree que el eje sobre el que gira la Tierra ha sido siempre el mismo.Mediante estudios realizados en rocas, y en las anomalías magnéticas de las cuencas de losocéanos, se ha calculado que el campo magnético ha invertido su polaridad alrededor de 170veces en los últimos 100 millones de años. Esto se ha podido realizar a partir de los isótoposradiactivos de las rocas.

fig. 3

SN

fig. 4

5

El experimento de Oersted

En 1820, mientras trabajaba en su laboratorio, Oersted montó un circuito eléctrico, y colocócerca una aguja magnética. Al no haber corriente en el circuito (circuito abierto), la agujamagnética se orientaba en la dirección Norte – Sur, como ya sabemos. El montaje que sepresenta en la figura 5 es similar al que hizo Oersted. Observe que una de las ramas delcircuito debe colocarse en forma paralela de la aguja, es decir, también se debe orientar enla dirección Norte-Sur.

Al establecer una corriente en el circuito, Oersted observó que la aguja magnética se desviaba,tendiendo a orientarse en dirección perpendicular al conductor. Al interrumpir el paso de lacorriente, la aguja volvía a su posición inicial, en la dirección N-S. Estas observacionesrealizadas por Oersted demostraron que una corriente eléctrica podía actuar como si fueseun imán, originando desviaciones en una aguja magnética. Así se observó por primera vezque existe una relación estrecha entre la electricidad y el magnetismo: una corrienteeléctrica es capaz de producir efectos magnéticos.

Al darse cuenta de la importancia de su descubrimiento, Oersted divulgó el resultado de sus

investigaciones, que inmediatamente atrajeron la atención de importantes científicos de la

época. Algunos de ellos comenzaron a trabajar en investigaciones relacionadas con el

fenómeno, entre los cuales destaca el trabajo de Ampère. En poco tiempo, gracias a dichas

investigaciones, se comprobó que todo fenómeno magnético era producido por corrientes

eléctricas; es decir, se lograba, de manera definitiva, la unificación del magnetismo y la

electricidad, originando la rama de la Física que actualmente conocemos como

Electromagnetismo.

fig. 5

N S

N S

6

El hecho básico del electromagnetismo

Como resultado de los estudios que acabamos de citar fue posible establecer el principio básicode todos los fenómenos magnéticos: cuando cargas eléctricas están en movimiento, entreellas surge una fuerza que se denomina fuerza magnética.Ya sabemos que cuando dos cargas eléctricas se encuentran en reposo, entre ellas existe unafuerza denominada electrostática, la cual estudiamos en la guía de electricidad I (ley deCoulomb). Cuando las dos cargas están moviéndose, además de la fuerza electrostática oeléctrica, surge entre ellas una nueva interacción, la fuerza magnética.Todas las manifestaciones de fenómenos magnéticos se pueden explicar mediante esta fuerzaexistente entre cargas eléctricas en movimiento. De manera que la desviación en la aguja delexperimento de Oersted, se debió a la existencia de dicha fuerza; también esta es laresponsable de la orientación de la aguja magnética en la dirección N - S; la atracción yrepulsión entre los polos de los imanes es incluso una consecuencia de esta fuerza magnética,etc. Como vimos en un comienzo, en la estructura atómica de un imán existen cargas enmovimiento que originan las propiedades magnéticas que presenta.

Para una partícula electrizada positivamente con carga q, que se mueve con una velocidad

v por un punto donde existe un campo magnético B, queda sujeta a la acción de una fuerza

magnética F que tiene las características siguientes:

- Módulo: F = q · v · B sen , donde es el ángulo entre v y B.

- Dirección: F es perpendicular a v y B.- Sentido: dado por la “regla de la palma de la mano derecha”, que se ilustra en la figura 6.

Notas:

- Si la carga q fuese negativa, el sentido de la fuerza magnética será contraria a la quese obtiene para una carga positiva.

- Si la carga entra paralela a un campo magnético, la fuerza magnética es nula.- La intensidad de la fuerza magnética es máxima, cuando entra perpendicular al campo

magnético.- Una carga eléctrica en reposo no interactúa con un campo magnético.- La unidad de medida en el S.I del campo magnético, es el Tesla (T).

fig. 6

F

v

B

1T = 1N

A m

7

Campo magnético de un alambre recto y largo

Un sencillo experimento realizado por Hans Oersted en 1820 demuestra con claridad que unconductor que transporta corriente produce un campo magnético. En este experimento, secolocan varias agujas de brújula en un plano horizontal cerca de un largo alambre vertical,como en la siguiente figura.

.

Cuando no hay corriente en el alambre, todas las agujas apuntan en la misma dirección (fig.

7a). Sin embargo, cuando el alambre transporta una corriente constante e intensa, todas las

agujas se desvían en direcciones tangentes al círculo (fig. 7b). Estas observaciones muestran

que la dirección de B es congruente con la conveniente regla siguiente: “si se sujeta el alambre

con la mano derecha, con el pulgar en la dirección de la corriente, como en la figura 8, los

dedos se curvan en la dirección de B”

Fuerza magnética en un conductor que transporta corriente

La experiencia nos dice ahora que no debemos sorprendernos que un alambre que conduce co-rriente también experimente una fuerza cuando se le coloca en un campo magnético. Esto sededuce del hecho de que la corriente es un conjunto de muchas partículas con carga enmovimiento; por tanto, la fuerza resultante sobre el alambre se debe a la suma de las fuerzasindividuales que se ejercen sobre las partículas con carga. La fuerza sobre las partículas setransmite a la totalidad del alambre en virtud de las colisiones con los átomos que constituyenel alambre. Antes de continuar es conveniente cierta explicación respecto a la notación que seutiliza en la figura 8. Para indicar la dirección de B se aplica la convención siguiente:Si B está dirigido hacia la página, como lo indica la figura 8, utilizamos una serie de cruces querepresentan las colas de las flechas de los vectores. Si B está dirigido hacia afuera de lapágina, utilizamos una serie de puntos que representan las puntas de las flechas de losvectores B. Si B está sobre el plano de la página, empleamos una serie de líneas de campocon puntas de flecha.

fig. 7bfig. 7a

I = 0

B

I

fig. 8

I

B

a

8

Se puede demostrar la fuerza que se ejerce sobre un conductor que transporta corrientecolgando un alambre entre los polos de un imán, como en la figura anterior. En la figura 9, elcampo magnético está dirigido hacia la página y cubre la región comprendida dentro del círculosombreado. El alambre se desvía hacia la derecha o hacia la izquierda cuando se hace pasaruna corriente por él.

Ley de inducción de Faraday

Si un imán se aproxima a la espira, la aguja del galvanómetro se desvía en una dirección,como en la figura 10a. Si el imán se aleja de la espira, la aguja del galvanómetro se desvía endirección opuesta, como en la figura 10b. Si el imán se mantiene inmóvil y la espira seaproxima al imán o se aleja de él, la aguja también se desvía. A partir de estas observaciones,se deduce que se establece una corriente en el circuito en tanto existe un movimientorelativo entre el imán y la espira. Estos resultados son extraordinarios, en vista del hechode que el circuito no contiene batería alguna. A esta clase de corriente se le llama corrienteinducida porque la produce una fem inducida.

I

B

fig. 9

I = 0

BB

I

Galvanómetro

Galvanómetro

0

0

N S

N S

fig. 10b

fig. 10a

9

Ley de Lenz

Para determinar el sentido de la corriente inducida, además de la regla de la mano derecha, seutiliza la ley de Lenz. Esta ley se enuncia de la forma siguiente:

“El sentido de la corriente eléctrica inducida en un circuito cerrado es tal que por susefectos electromagnéticos se opone a la variación del flujo que la produce”

Por ejemplo, supongamos una espira metálica inerte a la que se acerca un imán por su polonorte en la figura 11, al ir acercando el imán, el flujo que atraviesa la espira aumentará. Segúnla ley de Lenz, el sentido de la corriente inducida es tal que el campo magnético creado pordicha corriente se opone al aumento del flujo producido por el acercamiento de imán. Si elimán se aleja, la disminución de su flujo se verá contrarrestada por el campo magnético de lacorriente inducida que tendrá su mismo sentido.

fig. 11

N N

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EJEMPLOS

1. En la figura se aprecian tres imanes y en cada polo magnético una letra. Se sabe que Aatrae a F y D repele a A, también se afirma que E es un polo sur, entonces es correctoque

A) F atrae a D.B) B atrae a F.C) F atrae a C.D) A es un polo norte.E) C es un polo sur.

2. A los materiales que son más fáciles de magnetizar, se les llama

A) electromagnéticos.B) paramagnéticos.C) cuasimagnéticos.D) terramagnéticos.E) ferromagnéticos.

3. En una región donde existe un campo magnético siempre se cumple que

A) al dejar una carga positiva en esta región, la carga se moverá.B) solo si se deja una carga negativa, ésta sentirá una fuerza magnética.C) una partícula neutra al ser lanzada en este campo se desvía perpendicularmente.D) toda partícula que tenga carga neta se desviará sin importar en que dirección se

mueva.E) ninguna de ellas.

4. La historia dice que un científico observó en forma casual, un fenómeno que sería elpunto de partida para estudiar la relación entre el magnetismo y la electricidad. Elapellido del científico es

A) Faraday.B) Ampere.C) Volta.D) Oersted.E) Einstein.

5. Respecto a las líneas de fuerza magnética podemos decir que

A) son líneas que dan cuenta de la forma del campo magnético.B) son líneas continuas cerradas, presentes en el interior y el exterior del imán.C) son líneas que, por definición, van del polo norte al polo sur de un imán.D) la cantidad de líneas que sale de un polo es la misma que entra en el otro.E) todas las anteriores.

A

B

C

D

E

F

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PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE

1. La figura muestra líneas de fuerza usadas para representar al campo magnético, alrespecto se hacen las siguientes afirmaciones

I) el polo sur magnético está a la derecha de las líneas mostradas.II) el campo magnético es más intenso en el extremo derecho de la figura.

III) las líneas indican el sentido de la fuerza sobre una carga positiva.

Es (son) verdadera(s)

A) solo I.B) solo I y II.C) solo I y III.D) solo II y III.E) I, II y III.

2. Se muestra un cuerpo magnetizado rodeado de líneas de fuerza que ayudan a visualizarsu campo magnético. También la figura muestra un imán con sus respectivos polos,respecto a estos elemento se afirma que

A) A es un polo NorteB) al acercar B al lado C del imán estos se atraerán.C) al acercar A al lado D del imán no ocurrirá nada.D) el imán posee un campo magnético totalmente idéntico al del cuerpo.E) el lado B corresponde a un polo norte.

3. Respecto a los campos magnéticos se afirma que se genera un campo magnético

en los cables de alta tensión. al conectar a una pila una pequeña ampolleta, mediante cables. cuando se está usando el celular.

Al Responder verdadero (V) o Falso (F) cada una de las afirmaciones anteriores, y en elmismo orden de aparición, se obtiene

A) VVV.B) FFF.C) VFV.D) FVF.E) VFF.

4. Se deja caer un imán de tal forma que pasará muy cerca de una carga eléctrica q.Mientras cae se cumple que

A) ninguna de las afirmaciones anteriores es verdadera.B) sobre la carga se ejerce una fuerza magnética.C) solo se ejerce fuerza sobre la carga, si ésta se mueve.D) la carga no siente fuerza magnética pues el imán no se mueve con rapidez constante.E) no se ejerce fuerza magnética sobre la carga, sin importar como se mueva el imán.

N SA B C D

qg

SN

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5. Una brújula nos podría servir para conocer

I) la dirección en que se encuentra el Polo Sur geográfico de la Tierra.II) si por un conductor circula una corriente continua.

III) si dentro de un paquete hay objetos de Hierro.

Es (son) verdadera(s)

A) solo I.B) solo I y II.C) solo I y III.D) solo II y III.E) I, II y III.

6. La mayor parte de los imanes pierden sus propiedades magnéticas cuando

A) aumentamos la presión.B) aumentamos su temperatura.C) se mueven muy rápido.D) están en reposo por mucho tiempo.E) se colocan en el vacío.

7. Respecto al campo magnético de la Tierra, es incorrecto que

A) recibe el nombre de magnetosfera.B) su sentido es desde Chile hacia Canadá.C) se cree que existe debido a las corrientes de convección en el núcleo del planeta.D) su polo sur magnético se ubica en una región de Norteamérica.E) siempre los polos magnéticos han ocupado la posición actual.

8. En la figura aparece un farol y una persona, además se indican 4 puntos donde elsegmento PQ es perpendicular al segmento RS. Suponga que el Sol del amanecer es elfarol, entonces si la persona tuviera una brújula que descansa horizontalmente en susmanos, la punta de la aguja que indica el polo magnético sur indicaría hacia el punto

A) PB) QC) RD) SE) ninguno de ellos.

CLAVES DE LOS EJEMPLOS

1 A 2 E 3 E 4 D 5 E

DMTRFC-26

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P

Q

SR