como construir un iman

En esta experiencia vamos a ver cómo podemos construir un imán aprovechándonos del campo magnético terrestre.


El hierro es un material ferromagnético y, según algunas teorías, está constituido por un conjunto de dominios magnéticos (pequeños cristales de hierro) que se encuentran ordenados al azar. Si conseguimos que esos dominios se orienten todos en la misma dirección, el objeto de hierro se habrá magnetizado. Es lo que ocurre cuando juntamos un clavo con un imán. Al separarlos el clavo ha quedado magnetizado y se comporta también como un imán.

Material necesario Una barra de hierro Un martillo Una brújula

¿Que vamos a hacer?
Tenemos que coger la barra con una mano y dar un golpe seco con el martillo. De esta forma se imantará la barra, aunque de forma débil.
Pero, para conseguir que los dominios magnéticos queden alineados, resulta fundamental que la barra esté orientada, lo más paralela posible, con las líneas del campo magnético terrestre. Para ello nos vamos a ayudar de la brújula. Así, la barra tiene que estar orientada en la dirección Norte-Sur e inclinada hacia el suelo (como se muestra en la figura).
La inclinación de la barra dependerá de la latitud en que nos encontremos. En el hemisferio Norte deberá estar más bajo el extremo más al Norte. En el hemisferio Sur, al revés. El ángulo de inclinación dependerá de esa latitud. A la altura de el Ecuador deberá ser 0º (barra horizontal). Cuánto más hacia el polo nos encontremos, más inclinada deberá estar la barra. En España, aproximadamente, una buena inclinación pueden ser unos 30º.

Cómo reconocer la imantación

Puedes utilizar limaduras de hierro o recortes de un estropajo de acero, tal como se muestra en la experiencia: como ver el campo magnetico
Lo primero que tienes que hacer es comprobar que la barra que utilizas no está imantada antes del experimento (no atrae a las limaduras de hierro. Al final tienes que comprobar que efectivamente la barra ha quedado imantada y atrae a las limaduras.

Dificultades que vas a encontrar

La principal dificultad que vas a encontrar es conseguir una barra de hierro o un clavo grande que no esté imantado. la mayoría de los objetos de hierro con los que te vas a encontrar están ya imantados, fundamentalmente porque se han utilizado imanes muy potentes para trasladarlos en la fábrica o en los almacenes.

Electroestatica

La electrostática es la rama de la física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.


Alrededor del 600 a. C. el filósofo griego Tales de Mileto descubrió que si frotaba un trozo de la resina vegetal fósil llamada ámbar, en griego élektron, este cuerpo adquiría la propiedad de atraer pequeños objetos. Algo más tarde, otro griego, Teofrasto (310 a. C.), realizó un estudio de los diferentes materiales que eran capaces de producir fenómenos eléctricos y escribió el primer tratado sobre la electricidad.
A principios del siglo XVII comienzan los primeros estudios sobre la electricidad y el magnetismo orientados a mejorar la precisión de la navegación con brújulas magnéticas. El físico real británico William Gilbert utiliza por primera vez la palabra electricidad, creada a partir del término griego elektron (ámbar). El jesuita italiano Niccolo Cabeo analizó sus experimentos y fue el primero en comentar que había fuerzas de atracción entre ciertos cuerpos y de repulsión entre otros.
Alrededor de 1672 el físico alemán Otto von Guericke construye la primera máquina electrostática capaz de producir y almacenar energía eléctrica estática por rozamiento. Esta máquina consistía en una bola de azufre atravesada por una varilla que servía para hacer girar la bola. Las manos aplicadas sobre la bola producían una carga mayor que la conseguida hasta entonces. Francis Hawksbee perfeccionó hacia 1707 la máquina de fricción usando una esfera de vidrio.
En 1733 el francés Francois de Cisternay du Fay propuso la existencia de dos tipos de carga eléctrica, positiva y negativa, constatando que:
Los objetos frotados contra el ámbar se repelen.
También se repelen los objetos frotados contra una barra de vidrio.
Sin embargo, los objetos frotados con el ámbar atraen los objetos frotados con el vidrio.
Du Fay y Stephen Gray fueron dos de los primeros "físicos eléctricos" en frecuentar plazas y salones para popularizar y entretener con la electricidad. Por ejemplo, se electriza a las personas y se producen descargas eléctricas desde ellas, como en el llamado beso eléctrico: se electrificaba a una dama y luego ella daba un beso a una persona no electrificada.¹
En 1745 se construyeron los primeros elementos de acumulación de cargas, los condensadores, llamados incorrectamente por anglicismocapacitores, desarrollados en la Universidad de Leyden (hoy Leiden) por Ewald Jürgen Von Kleist y Pieter Van Musschenbroeck. Estos instrumentos, inicialmente denominados botellas de Leyden, fueron utilizados como curiosidad científica durante gran parte del siglo XVIII. En esta época se construyeron diferentes instrumentos para acumular cargas eléctricas, en general variantes de la botella de Leyden, y otros para manifestar sus propiedades, como los electroscopios.
En 1767, Joseph Priestley publicó su obra The History and Present State of Electricity sobre la historia de la electricidad hasta esa fecha. Este libro sería durante un siglo el referente para el estudio de la electricidad. En él, Priestley anuncia también alguno de sus propios descubrimientos, como la conductividad del carbón. Hasta entonces se pensaba que sólo el agua y los metales podían conducir la electricidad.²
En 1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado en el que se describían por primera vez cuantitativamente las fuerzas eléctricas, se formulaban las leyes de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas y se usaba la balanza de torsión para realizar mediciones. En su honor, el conjunto de estas leyes se conoce con el nombre de ley de Coulomb. Esta ley, junto con una elaboración matemática más profunda a través del teorema de Gauss y la derivación de los conceptos de campo eléctrico y potencial eléctrico, describe la casi totalidad de los fenómenos electrostáticos.
Durante todo el siglo posterior se sucedieron avances significativos en el estudio de la electricidad, como los fenómenos eléctricos dinámicos producidos por cargas en movimiento en el interior de un material conductor. Finalmente, en 1864 el físico escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes de la electricidad y el magnetismo en un conjunto reducido de leyes matemáticas.

Electricidad estática

Artículo principal:Electricidad estática.
La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.
Antes del año 1832, que fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los físicos pensaban que la electricidad estática era algo diferente de la electricidad obtenida por otros métodos. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán, la electricidad producida por una batería, y la electricidad estática son todas iguales.
La electricidad estática se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables. O cuando partículas ionizadas se depositan en un material, como ocurre en los satélites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiación de Van Allen. La capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico; existe una clasificación de los distintos materiales denominada secuencia triboeléctrica.
La electricidad estática se utiliza comúnmente en la xerografía, en filtros de aire, en algunas pinturas de automóvil, en algunos aceleradores de partículas subatómicas, etc. Los pequeños componentes de los circuitos eléctrónicos pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática. Sus fabricantes usan una serie de dispositivos antiestáticos y embalajes especiales para evitar estos daños. Hoy la mayoría de los componentes semiconductores de efecto de campo, que son los más delicados, incluyen circuitos internos de protección antiestática.

Aislantes y conductores

Los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga eléctrica. Así, una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, sí es posible cargarla cuando al frotarla se usa para sostenerla un mango de vidrio o de plástico y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que las cargas pueden moverse libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que las iría descargando en cuanto se produjeran, mientras que el vidrio y el plástico no permiten la circulación de cargas porque aíslan eléctricamente la varilla metálica del cuerpo humano.
Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores.
En contrapartida de los conductores eléctricos, existen materiales en los que los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio y los plásticos son ejemplos típicos.
La distinción entre conductores y aislantes no es absoluta: la resistividad de los aislantes no es infinita (pero sí muy grande), y las cargas eléctricas libres, prácticamente ausentes de los buenos aislantes, pueden crearse fácilmente suministrando la cantidad adecuada de energía para separar a un electrón del átomo al que esté ligado (por ejemplo, mediante irradiación o calentamiento). Así, a una temperatura de 3000 K, todos los materiales que no se descomponen por la temperatura, son conductores.
Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen múltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedades conductoras se modifican mediante la adición de una minúscula cantidad de sustancias dopantes. Con esto se consigue que pueda variarse la conductividad del material semiconductor como respuesta a la aplicación de un potencial eléctrico variable en su electrodo de control.
Ciertos metales adquieren una conductividad infinita a temperaturas muy bajas, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica de circuito cerrado en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.

Generadores electrostáticos

Los generadores de electricidad estática son máquinas que producen altísimas tensiones con una muy pequeña intensidad de corriente. Hoy se utilizan casi exclusivamente para demostraciones escolares de física. Ejemplos de tales generadores son el electróforo, la máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff.
Al frotar dos objetos no conductores se genera una gran cantidad de electricidad estática. En realidad, este efecto no se debe a la fricción, pues dos superficies no conductoras pueden cargarse con sólo apoyar una sobre la otra. Sin embargo, al frotar dos objetos aumenta el contacto entre las dos superficies, lo que aumentará la cantidad de electricidad generada. Habitualmente los aislantes son buenos para generar y para conservar cargas superficiales. Algunos ejemplos de estas sustancias son el caucho, los plásticos y el vidrio. Los objetos conductores raramente generan desequilibrios de cargas, excepto, por ejemplo, cuando una superficie metálica recibe el impacto de un sólido o un líquido no conductor, como en los transportes de combustibles líquidos. La carga que se transfiere durante la electrificación por contacto se almacena en la superficie de cada objeto, a fin de estar lo más separada posible y así reducir la repulsión entre las cargas.

Carga inducida

La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una carga eléctrica inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse; se crea así por inducción electrostática una superficie de carga positiva en la pared, que atraerá a la superficie negativa del globo).

Carga por fricción

En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, pero los más externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente la torta de resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los átomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta positiva.

Carga por inducción

Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargada. Considérese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales.

Aplicaciones

La electricidad estática se usa habitualmente en xerografía en la que un pigmento en polvo (tinta seca o toner) se fija en las áreas cargadas previamente, lo que hace visible la imagen impresa.
En electrónica, la electricidad estática puede causar daños a los componentes, por lo que los operarios han de tomar medidas para descargar la electricidad estática que pudieran haber adquirido. Esto puede ocurrir a una persona por frotamiento de las suelas de los zapatos (de materiales como la goma) contra suelos de tela o alfombras, o por frotamiento de su vestimenta contra una silla de plástico. Las tensiones generadas así serán más altas en los días con baja humedad relativa ambiente. Hoy las alfombras y las sillas se hacen con materiales que generen poca electricidad por frotamiento. En los talleres de reparación o en fábricas de artefactos electrónicos se tiene el cuidado de evitar la generación o de descargar estas cargas electrostáticas.
Al aterrizar un avión se debe proceder a su descarga por seguridad. En los automóviles también puede ocurrir la electrificación al circular a gran velocidad en aire seco (el aire húmedo produce menores cargas), por lo que también se necesitan medidas de seguridad para evitar las chispas eléctricas.
Se piensa que la explosión en 2003 de un cohete en el Centro de Lanzamiento de Alcántara en Brasil, que mató a 21 personas, se debió a chispas originadas por electricidad estática.

practica electromagnetismo

Práctica de Electromagnetismo

• Material
• Experimento  
• Complementación Teórica

Imanes y corrientes eléctricas
Material

• 1 imán
• 1 pila grande nueva
• 1 clavo o 10 tachuelas (metálicas)
• 1 aguja
• 1 plato hondo imantado
• 1 pedazo pequeño de telgopor (fino)
• 2m de hilo de cobre número 22

Experimento

 1. De acuerdo a lo aprendido en la parte teórica ( Magnetismo), imante  la aguja con la ayuda de un imán, deje un pedazo de papel pequeño flotando sobre el agua y ponga una aguja imantada  sobre el papel. De esa forma construimos una brújula. Como es posible tener certeza de que la aguja fué realmente imantada?

2. Tome un hilo de cobre y colóquelo sobre la brújula que fué construida, lo mas cerca posible y a lo largo  de la aguja (Fig. 13) . La aguja cambia de posición?

Figura 13: Esquema de montaje
(cobre - papel – aguja)

3. Ahora, en lugar del hilo de cobre, aproxime la pila de la aguja en los casos:
        a) a 10 cm de distancia. Que sucede? Explique.
        b) a 30 cm de distancia. Que sucede? Explique.

4. Coloque de nuevo el  hilo de cobre sobre la aguja de la brújula, aproxime y retire rápidamente las puntas del hilo de cobre de  los polos de la aguja. La operación de conectar el hilo de cobre a la pila tienen que ser lo más rápido posible, de lo contrario la pila  se descarga (Fig. 14). La aguja cambia de posición en el momento en que el hilo está conectado a la pila? De una explicación para lo que sucedió.

Figura 14: Esquema de montaje
(Cobre - papel - aguja – pila)

5. Ponga el hilo de metal de manera que pase cinco veces  sobre la aguja  y páselo  por debajo del plato, aproximando después, rápidamente, sus extremos a la pila. La aguja cambia mas de lugar en el ítem 4 o 5? Qué se puede deducir de ese hecho?

6. Aproxime el clavo (no imantado)  de un alfiler o tachuela. El clavo atrae el alfiler?

7. Envuelva el hilo de cobre en el clavo, acerque, rápidamente,  los extremos del hilo a la pila y acerque el clavo de algunas de las tachuelas (Fig. 15). El clavo atrae las tachuelas?

Figura 15: Esquema de montaje

8. Retire  la pila de las puntas del hilo. Sin estar conectadas las puntas del hilo con la pila, el clavo atrae las tachuelas?  En caso contrario, hay alguna diferencia entre la atracción en este caso  con relación al caso anterior (ítem 7) ?

Complementación teórica

Hasta 1820 se pensaba que existían dos fenómenos  totalmente independientes entre sí: Los fenómenos eléctricos y los fenómenos  magnéticos. Así, vimos anteriormente que pedacitos de papel eran atraídos por una regla de plástico u otros  objetos electrizados, mas no por los imanes. No obstante, en el año l820, Oersted descubrió, accidentalmente, que la corriente eléctrica produce un campo magnético, o sea, que en algunas circunstancias  podemos  mezclar fenómenos eléctricos y magnéticos.

Hoy en día sabemos que para que eso ocurra hay necesidad de que exista movimiento de cargas eléctricas. De esa forma, cargas eléctricas en movimiento ( corriente eléctrica) pueden producir un campo magnético. ( Fig. 16).

Figura 16: Producción de un campo magnético
(papel - aguja – pila)

Por otro lado,  un imán en movimiento puede formar un campo eléctrico y dar lugar a una corriente eléctrica. Estos fenómenos son llamados fenómenos electromagnéticos y ellos son estudiados por  el electromagnetismo. En nuestro curso nos limitaremos al estudio del campo magnético  producto de cargas en movimiento, o sea. producidos por la corriente eléctrica.
Se dice que un imán crea un campo magnético que sale del norte y va para el sur y podemos esquematizarlo con líneas de campo (Fig. 17). Una aguja  de brújula colocada sobre esas líneas se orientará  de acuerdo a la dirección de estas líneas.

Figura 17: Aguja magnética colocada en un campo magnético
(aguja, imán)

Si colocamos cargas eléctricas en movimiento en el interior de un cable ( corriente eléctrica)  ellas formarán un campo magnético al rededor del cable (Fig. 18) que orientará la aguja. Si el cable pasa varias veces  por una misma región , la suma de los campos magnéticos formados darán origen a un campo más fuerte. Un cable envuelto una vez  se llama “espira”. Un cable envuelto  varias veces formará lo que se llama “bobina”. De esa forma si enrollamos  el cable 20 veces tendremos una bobina de 20 espiras.

El hierro del cual  es formado el clavo del experimento es un material  magnéticamente blando (ver Parte I), si bien que no totalmente. El hierro muy blando usado en los transformadores se llama “hierro dulce”.

El campo magnético de bobina enrollada  en el clavo orienta los dominios magnéticos en él, mientras  pasa la corriente. Con eso se logra un refuerzo del campo magnético, pues además del campo magnético de las espiras , entra a actuar el campo magnético producto del ordenamiento de los dominios magnéticos del hierro. Este tiene la propensión  a aumentar  mucho el campo magnético, por lo que es usado para motores eléctricos y transformadores.

1. Figura 18: Campo magnético creado por el movimiento de cargas eléctricas en un alambre.
2.  Los fenómenos electromagnéticos son de importancia vital para la tecnología. Los fenómenos que hemos estudiado en nuestros proyectos, explican como la corriente eléctrica puede producir movimiento, lo que explica el funcionamiento de los motores eléctricos. Existen otros fenómenos que nosotros no estudiaremos aquí y que están relacionados con la inducción de corriente eléctrica por imanes en movimiento.  Los dos fenómenos juntos explican como  el movimiento de una turbina, en una hidroeléctrica, localizada lejos de nuestra casa, puede hacer funcionar las paletas de una licuadora que estamos usando o de un aire acondicionado en nuestra ciudad.
    

Campo Magnetico

1. Introducción
 

El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que enlaza ambas fuerzas, es el tema de este curso, se denomina teoría electromagnétic. La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia.

2. Teoría Electromagnética

A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo.. En 1831, despúes de que Hans Oersted comenzará a describir una relación entre la electricidad y el magnetismo, y el francés André Marie Ampére seguido por el físico francés Dominique François profundizarán en dicho campo, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético.
Después de que el físico francés Pierre Ernst Weiss postulará la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada, lo que permitió que más tarde otros científicos predijeran muchas estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas

3. El campo magnético

Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos suelen representarse mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas.

En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza.
La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse el esquema de líneas de fuerza.
Igualmente, si se agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de partículas o los espectrógrafos de masas.

4. Fuerzas Magnéticas entre distribuciones de corriente

La expresión básica para el calculo de fuerzas magneticas es la fuerza de Lorentz:

Que como :

En el caso de las dos distribuciones de la figura, la fuerza que ejerce la distribución 1 sobre la 2 es:

Si el volumen encierra a la distribución, no puede haber corriente a través de la superficie que la limita.

Intercambiando los subindices se observa que las fuerzas magneticas cumplen el principio de acción y reacción.

Si se aplica la expresión al cálculo de la fuerza que ejerce una distribución sobre sí misma se obtiene un valor nulo. Esto no quiere decir que una distribución no ejerza fuerza sobre sus elementos de corriente, sino que la fuerza total sobre el conjunto de sus elementos de corriente es nula.

La fuerza total sobre un elemento de corriente debe ser ortogonal al mismo
La fuerza entre dos elementos de corriente, en principio, no es necesariamente radial, pero como las distribuciones tienen divergencia nula, sólo contribuye la componente radial. Así que la suma de las fuerzas que dos elementos de corriente ejercen el uno sobre el otro es nula. Dos elementos de corriente paralelos se atraen sis sus corrientes llevan el mismo sentido y se repelen si llevan sentidos contrarios.

Ejemplo 1. Fuerza entre una corriente rectilínea indefinida y un espira rectangular

En este caso es más práctico partir de la expresión en función del campo magnetico.
El campo debido a la línea de corriente en el plano x = 0 es:

La contribución de los tramos horizontales se cancela.
Domina la contribución del tramo vertical más proximo
Para los sentidos de corriente de la figura, la fuerza resultante resulta atractiva.
Ejemplo 2. Fuerza magnetica sobre un conductor rectilineo
Intensidad de la corriente

La intensidad de la corriente eléctrica es la carga que atraviesa la sección normal S del conductor en la unidad de tiempo.
Sea n el número de partículas por unidad de volumen, v la velocidad media de dichas partículas, S la sección del haz y q la carga de cada partícula.
La carga Q que atraviesa la sección normal S en el tiempo t, es la contenida en un cilindro de sección S y longitud v·t.
Carga Q= (número de partículas por unidad de volumen n)·(carga de cada partícula q)· (volumen del cilindro Svt)
Q=n·qS·v·t
Dividiendo Q entre el tiempo t obtenemos la intensidad de la corriente eléctrica.
i=nqvS
La intensidad es el flujo de carga o la carga que atraviesa la sección normal S en la unidad de tiempo, que será el producto de los siguientes términos:

• Número de partículas por unidad de volumen, n
• La carga de cada partícula, q.
• El área de la sección normal, S
• La velocidad media de las partículas, v.

Fuerza sobre una porción de conductor rectilíneo.
En el espectrómetro de masas o en el ciclotrón, ya hemos estudiado la fuerza que ejerce un campo magnético sobre un portador de carga, y el movimiento que produce.

En la figura, se muestra la dirección y sentido de la fuerza que ejerce el campo magnético B sobre un portador de carga positivo q, que se mueve hacia la izquierda con velocidad v.

Calculemos la fuerza sobre todos los portadores (nSL) de carga contenidos en la longitud L del conductor.
El vector unitario ut=v/v tiene la misma dirección y sentido que el vector velocidad, o el sentido en el que se mueven los portadores de carga positiva.
En el caso de que el conductor no sea rectilíneo o el campo magnético no se constante, se ha de calcular la fuerza sobre un elemento de corriente dl
Las componentes de dicha fuerza dFx y dFy
Se ha de comprobar si hay simetría de modo que alguna de las componentes sea nula .
Ejemplo 3. Fuerza y momento sobre una espira
Fuerza sobre cada lado de la espira

La figura representa una espira rectangular cuyos lados miden a y b. La espira forma un ángulo q con el plano horizontal y es recorrida por una corriente de intensidad i, tal como indica el sentido de la flecha roja en la figura.
La espira está situada en una región en la que hay un campo magnético uniforme B paralelo al plano horizontal (en color gris), tal como indica la flecha de color azul en la figura.
Calcularemos la fuerza que ejerce dicho campo magnético sobre cada uno de los lados de la espira rectangular.
Ya hemos deducido la expresión de la fuerza que ejerce un campo magnético sobre una porción L de corriente rectilínea.
La fuerza Fr sobre cada uno de los lados de longitud a, esta señalada en la figura y su modulo vale
F1=i·1·B·a·sen90º=iBa.
La fuerza F2 sobre cada uno de los lados de longitud b, es
F2=i·1·B·b·senq =iBb·senq
Esta fuerza tiene la dirección del eje de rotación de la espira, y sentidos opuestos.
La fuerza F2 es nula cuando la espira está contenida en el plano horizontal q =0º, y es máxima cuando el plano de la espira es perpendicular al plano horizontal q =90º.
Momento de las fuerzas sobre la espira
La fuerza resultante sobre la espira es nula, sin embargo, las fuerzas sobre los lados de longitud a no tienen la misma línea de acción y forman un par de momento.
M = 2F1·(b/2)·cosq = i·ab·B·cosq = i·S·B·cosq
La dirección momento M es la del eje de rotación de la espira, y el sentido viene dado por la regla del sacacorchos.
Definimos una nueva magnitud denominada momento magnético m de la espira.

• Cuyo módulo es el producto de la intensidad de la corriente i por el área S de la espira.
• Su dirección es perpendicular al plano de la espira.
• Su sentido viene determinado por el avance de un sacacorchos que gire como lo hace la corriente en la espira.

El momento se puede expresar en forma de producto vectorial de dos vectores, el vector momento magnético m y el vector campo magnético B

Como vemos en la figura

• Su módulo es M=m·B·sen(90+q )=m·B·cosq =iS·B·cosq
• Su dirección es perpendicular al plano determinado por los dos vectores, es decir, el eje de rotación de la espira.
• Su sentido es el del avance de un sacacorchos que gire desde el vector m hacia el vector B por el camino más corto.

Cuando el vector campo B y el vector momento magnético m son paralelos, el momento M es nulo, esta es una posición de equilibrio.
Aunque la fórmula del momento M se ha obtenido para una espira rectangular, es válida para una espira circular o de cualquier otra forma
Para finalizar el presente trabajo, y basandome en soporte de internet a continuación se presentan aplicaciones de fuerzas magneticas y electricas en tecnologias actuales:
Aplicación de fuerzas eléctricas y magnéticas al control de formas líquidas en microgravedad.
En purificación de semiconductores y crecimiento de monocristales se usa la técnica de la zona flotante. Las fuerzas magnéticas estabilizan la zona flotante
Curva de estabilidad en el plano B -L para distintos valores de la longitud de penetración

Chorro perfectamente conductor: = 0; Chorro aislante: d = infinito
Los puntos a la derecha de cada curva representan estados inestables (ruptura del chorro). La aplicación de un campo magnético permite obtener chorros más esbeltos.
En la secuencia de imágenes: un puente estable por la acción de un campo eléctrico axial se rompe cuando este se hace cero. Se estudian acelerómetros basados en la dinámica de puentes líquidos, por la sensibilidad de su rotura a la microgravedad.