CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLÓGICO AGROPECUARIO No.79, ZINACATEPEC. Asignatura de Física II / Campo Magnético. CAMPO MAGNÉTICO. Hace más de dos mil años, unos pastores de Magnesia (ciudad antigua de Grecia) descubrieron una roca negra que atraía al hierro. Esta roca recibe el nombre de piedra imán o magnetita. Químicamente es un mineral de óxido de hierro: Fe3O4: los chinos en al año 121 a. C. ya usaban el imán como brújula. El magnetismo es la propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, níquel y cobalto, Esta propiedad es de gran importancia, pues se utiliza en muchos aparatos, tales como: timbres, alarmas, teléfonos, conmutadores, motores eléctricos, brújulas y separadores de cuerpos metálicos. William Gilbert demostró que la tierra se comporta como un enorme imán, por ello el extremo de una brújula que apunta al norte geográfico se le denomina polo norte y al extremo que apunta al sur geográfico se le llama polo sur. También demostró que no existen los polos magnéticos aislados, porque si un imán se rompe en varios pedazos, cada pedazo se transforma en un nuevo imán. El magnetismo de los imanes El estudio del comportamiento de los imanes pone de manifiesto la existencia en cualquier imán de dos zonas extremas o polos en donde la acción magnética es más intensa. Los polos magnéticos de un imán no son equivalentes, como lo prueba el hecho de que enfrentando dos imanes idénticos se observen atracciones o repulsiones mutuas según se aproxime el primero al segundo por uno o por otro polo. Para distinguir los dos polos de un imán recto se les denomina polo norte y polo sur. Esta referencia geográfica está relacionada con el hecho de que la Tierra se comporte como un gran imán. Las experiencias con brújulas indican que los polos del imán terrestre se encuentran próximos a los polos Sur y Norte geográficos respectivamente. Por tal motivo, el polo de la brújula que se orienta aproximadamente hacia el Norte terrestre se denomina polo Norte y el opuesto constituye el polo Sur. Tal distinción entre polos magnéticos se puede extender a cualquier tipo de imanes. Las experiencias con imanes ponen de manifiesto que polos del mismo tipo (N-N y S-S) se repelen y polos de distinto tipo (N-S y S-N) se atraen. Esta característica del magnetismo de los imanes fue explicada por los antiguos como la consecuencia de una propiedad más general de la naturaleza consistente en lo que ellos llamaron la «atracción de los opuestos». Otra propiedad característica del comportamiento de los imanes consiste en la imposibilidad de aislar sus polos magnéticos. Así, si se corta un imán recto en dos mitades se reproducen otros dos imanes con sus respectivos polos norte y sur. Y lo mismo sucederá si se repite el procedimiento nuevamente con cada uno de ellos. No es posible, entonces, obtener un imán con un solo polo magnético semejante a un cuerpo cargado con electricidad de un solo signo. Dicha experiencia fue efectuada por primera vez por Peregrinus, sabio francés que vivió sobre 1270 y a quien se debe el perfeccionamiento de la brújula, así como una importante aportación al estudio de los imanes. Página 1 de 4 CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLÓGICO AGROPECUARIO No.79, ZINACATEPEC. Asignatura de Física II / Campo Magnético. Imanes Un imán es un material que, de forma natural o artificial, tiene la propiedad de atraer a elementos que contienen hierro; también puede atraer al níquel y al cobalto, pero con menor fuerza. De acuerdo con su naturaleza los imanes se clasifican en: Imanes naturales. Piedras extraídas de la tierra que poseen poder magnético y están formadas por óxidos de materiales ferromagnéticos como las ferritas y la magnetita. Imanes artificiales. Son barras de hierro que se han imantado con otro imán o sosteniéndolos a la acción del campo magnético producido por una corriente eléctrica. Los imanes artificiales se clasifican en permanentes y temporales, según si retienen o no las propiedades magnéticas una vez desaparecida la fuerza magnetizante. Los imanes permanentes son imanes artificiales que han sido sometidos a algún tipo de tratamiento térmico y magnetizados por medio de corriente eléctrica, se emplean en brújulas, bocinas para audífonos y altavoces. Si una pieza de hierro, acero suave o níquel se magnetiza por medio de una bobina donde pasa una corriente eléctrica, se observa que la magnetización se pierde minutos más tarde después de que se le retira esta fuerza. A este tipo de imanes se les denomina imán temporal. Los imanes temporales se emplean generalmente donde el imán tiene una bobina que le rodea por la que pasa una corriente eléctrica, éstos se emplean en generadores, transformadores, timbres, motores, bobinas. Cuerpos que no son imanes Los cuerpos que no son imanes se clasifican en tres tipos de acuerdo con la capacidad que tienen de ser atraídos: Ferromagnéticos. Cuerpos que son atraídos fuertemente por los imanes. Paramagnéticos. Cuerpos que son atraídos por un imán. Diamagnéticos. No son atraídos por los imanes. Campo magnético Hemos mencionado que la fuerza con la cual se atraen o se repelen dos imanes disminuye al aumentar la distancia entre ellos, y que lo mismo sucede con la fuerza que un imán ejerce sobre un objeto de material ferromagnético. Sin Página 2 de 4 CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLÓGICO AGROPECUARIO No.79, ZINACATEPEC. Asignatura de Física II / Campo Magnético. embargo, si el imán y el objeto se encuentran a una distancia relativamente grande, el objeto no experimenta ningún tipo de atracción. En este caso, se dice que el objeto está fuera del campo magnético generado por el imán. Se denomina campo magnético (B) a la región del espacio en la cual se manifiestan las fuerzas magnéticas producidas por el imán. La intensidad del campo magnético se mide en una unidad llamada tesla (T), en honor de Nikola Tesla, científico que realizó trabajos relacionados con la electricidad y el magnetismo. Aunque también realizó una experiencia en la cual suele emplearse otra unidad denominada gauss (G). Para poder visualizar el campo magnético, Michael Faraday (1791-1887) esparció limaduras de hierro sobre un papel ubicado encima de un imán. Faraday observó que las limaduras se situaban en líneas cerradas, es decir, líneas que parten de un polo del imán y que llegan al otro polo y determinó que dichas líneas no se cortan. En un imán, estas líneas se denominan líneas de campo y por convenio, se dice que salen del polo norte e ingresan al polo sur. Estas líneas de campo presentan ciertas características. En el exterior del imán, cada línea se orienta desde el polo norte al polo sur. Las líneas son cerradas, es decir, no se interrumpen en la superficie del imán. El vector de campo magnético en cada punto del espacio es tangente a la línea de campo que pasa por ese punto. La cantidad de líneas por unidad de área en la vecindad de un punto es proporcional a la intensidad del campo en dicho punto. Las líneas nunca se intersecan ni se cruzan en ningún punto del espacio. Una sola línea de fuerza equivale a la unidad del flujo magnético (φ) en el sistema CGS y recibe el nombre de maxwell. Sin embargo, es una unidad muy pequeña de flujo magnético, por lo que en el SI se emplea una unidad mucho mayor llamada weber y cuya equivalencia es 1weber = 1x108 maxwell. La densidad de flujo magnético o inducción magnética (B) en una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza (Flujo magnético φ) que atraviesa perpendicularmente a la unidad de área (A). Por tanto: 𝜑 𝐵= 𝐴 Donde: B= Densidad del flujo magnético - Wb/m2=T - Weber/metro cuadrado= Tesla Φ= Flujo magnético- Weber (Wb) A= Área sobre la cual actúa el flujo magnético - Metro cuadrado (m2) La unidad de B en el SI es el tesla (T). La densidad del flujo es un vector representativo de la intensidad, dirección y sentido del campo magnético en un punto. Página 3 de 4 CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLÓGICO AGROPECUARIO No.79, ZINACATEPEC. Asignatura de Física II / Campo Magnético. Cuando el flujo magnético no penetra perpendicularmente un área, sino que los hace con un cierto ángulo, la expresión para calcular la densidad del flujo magnético será 𝜑 𝐵= 𝐴 𝑠𝑒𝑛𝜃 Donde θ = Al ángulo formado por el flujo magnético y la normal de la superficie. Características de las fuerzas magnéticas La permeabilidad magnética (µ) es el fenómeno que se presenta en algunos materiales, como el hierro dulce, en los cuales las líneas de fuerza de un campo magnético fluyen con más libertad en el material de hierro que por el aire o el vacío. La permeabilidad magnética del vacío (µo) tiene un valor en el SI de µo= 4πx10-7 Wb/Am (weber sobre Amper metro) o bien 4πx10-7 Tm/A (Tesla metro sobre Amper). Para fines prácticos, la permeabilidad del aire se considera igual a la permeabilidad del vacío. La permeabilidad relativa de una sustancia se calcula con la expresión. 𝜇 𝜇𝑟 = 𝜇𝑜 La intensidad del campo magnético (H), para un medio dado, es el cociente que resulta de la densidad del flujo magnético (B) entre la permeabilidad magnética del medio. 𝐵 𝐻= 𝜇 La tierra actúa como un enorme imán cuyos polos no coinciden con los polos geográficos. El ángulo de desviación entre el norte geográfico y el norte que señala la brújula recibe el nombre de ángulo de inclinación. La inclinación magnética es el ángulo que forma una aguja magnética con el plano horizontal. Cuando se encuentran dentro de un campo magnético, los materiales pueden clasificarse en función de su comportamiento de la siguiente manera: - Ferromagnéticos, las líneas de flujo magnético pasan con mucha mayor facilidad por el cuerpo que en el vacío, tal es el caso del hierro, cobalto, níquel gadolinio y disprosio. - Paramagnéticos, las líneas de flujo magnético atraviesan con cierta relativa facilidad por el cuerpo, que a través del vacío; ejemplo: aluminio, litio, platino, iridio y cloruro férrico. - Diamagnéticos, Las líneas del flujo magnético tienen mayor circulación en el vacío que por el cuerpo, como sucede con el cobre, la plata, el oro, el mercurio y el bismuto. Página 4 de 4
