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Ing. Graciela M. Musso Prof. Adjunta Física II 1 TEMA 5: CAMPO MAGNÉTICO Y FUERZAS MAGNÉTICAS Los fenómenos magnéticos se conocen desde hace muchísimo tiempo, casi tanto como el conocimiento de la electricidad estática. Desde el año 800 AC los griegos ya tenían conocimiento sobre el magnetismo y la fuerza que ejercieran las sustancias imantadas como la magnetita sobre objetos hechos de hierro y los chinos ya utilizaban brújulas desde el año 1000 DC. Cuenta la leyenda que el nombre de magnetita proviene del legendario pastor Magnes que, yendo un día por los campos de Grecia con su rebaño, se quedó pegado a la tierra, siéndole imposible caminar al no poder despegar sus pies de ella... los clavos de hierro de sus sandalias se habían adherido a las rocas que pisaba. Aquel suceso dio origen a varias palabras: primero al fenómeno de atracción (magne-tismo), segundo el nombre de la piedra de tal poder (magne-tita) y, por último, el nombre de la región griega en la que sucedió el hecho (Magnes-ia) y en la cual era muy abundante esta misteriosa piedra... piedra que luego, mucho más tarde, para un filósofo jónico, padre de la Filosofía, sería la prueba de que la materia estaba viva, de que todo tenía "dáimones". El filósofo se llamaba Tales (vivió hace unos 2700 años) y, en recuerdo de esto, las piedras supuestamente dotadas de poderes mágicos (dáimones) o de atraer a sí misteriosos "efluvios", fueron (y son) llamadas Talismanes... ("imanes de Tales")... 5.1 INTRODUCCIÓN En el año 1269 un francés llamado Pierre de Maricourt descubrió que las direcciones a las que apuntaba una aguja al acercársele un imán natural esférico formaban líneas que rodeaban a la esfera y pasaban a través de ella por dos puntos diametralmente opuestos llamados polos de un imán. Experiencias posteriores demostraron que todo imán, independientemente de su forma tiene dos polos, uno norte (N) y otro sur (S) que ejercen fuerzas sobre metales con hierro y sobre otros polos magnéticos, de manera similar a como las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí. Es decir polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen. En el año 1600 William Gilbert (1540 1603) amplió el experimento de Maricourt aplicándolo a diferentes materiales. En base a que la aguja de una brújula se orienta en direcciones preferenciales, sugirió que la Tierra es un imán permanente gigantesco. De allí viene el nombre de “polos” por la forma en que un imán de barra, como el de una brújula se comporta en presencia del campo magnético terrestre. En 1750, en otros experimentos se utilizó una balanza de torsión para demostrar que los `polos magnéticos ejercen entre sí fuerzas de atracción o repulsión y que estas fuerzas varían en función de la inversa del cuadrado de la distancia entre los polos que interactúan. A pesar de la similitud con la fuerza entre dos cargas eléctricas, estas últimas siempre pueden aislarse (electrón y protón) mientras que nunca ha sido posible aislar un solo polo magnético, los polos magnéticos siempre se encuentran en pares. Hasta ahora han sido infructuosos todos los intentos de separar los polos magnéticos. Independientemente de cuantas veces se divida un imán, cada trozo tendrá siempre un polo norte y un polo sur. En 1819 el científico danés Hans Christian Oersted (1777 - 1851) reveló la correspondencia entre la electricidad y el magnetismo, utilizando la “pila voltaica” recién descubierta para establecer una corriente constante. Descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una

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Ing. Graciela M. Musso Prof. Adjunta Física II

1

TEMA 5:

CCAAMMPPOO MMAAGGNNÉÉTTIICCOO YY FFUUEERRZZAASS MMAAGGNNÉÉTTIICCAASS Los fenómenos magnéticos se conocen desde hace muchísimo tiempo, casi tanto como el

conocimiento de la electricidad estática. Desde el año 800 AC los griegos ya tenían

conocimiento sobre el magnetismo y la fuerza que ejercieran las sustancias imantadas como la

magnetita sobre objetos hechos de hierro y los chinos ya utilizaban brújulas desde el año 1000

DC.

Cuenta la leyenda que el nombre de magnetita proviene del

legendario pastor Magnes que, yendo un día por los campos de

Grecia con su rebaño, se quedó pegado a la tierra, siéndole

imposible caminar al no poder despegar sus pies de ella... los

clavos de hierro de sus sandalias se habían adherido a las rocas que

pisaba. Aquel suceso dio origen a varias palabras: primero al

fenómeno de atracción (magne-tismo), segundo el nombre de la

piedra de tal poder (magne-tita) y, por último, el nombre de la

región griega en la que sucedió el hecho (Magnes-ia) y en la cual

era muy abundante esta misteriosa piedra... piedra que luego,

mucho más tarde, para un filósofo jónico, padre de la Filosofía, sería la prueba de que la materia estaba

viva, de que todo tenía "dáimones". El filósofo se llamaba Tales (vivió hace unos 2700 años) y, en

recuerdo de esto, las piedras supuestamente dotadas de poderes mágicos (dáimones) o de atraer a sí

misteriosos "efluvios", fueron (y son) llamadas Talismanes... ("imanes de Tales")...

55..11 IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN

En el año 1269 un francés llamado Pierre de Maricourt descubrió que las direcciones a las

que apuntaba una aguja al acercársele un imán natural esférico formaban líneas que rodeaban

a la esfera y pasaban a través de ella por dos puntos diametralmente opuestos llamados polos

de un imán. Experiencias posteriores demostraron que todo imán, independientemente de su

forma tiene dos polos, uno norte (N) y otro sur (S) que ejercen fuerzas sobre metales con hierro

y sobre otros polos magnéticos, de manera similar a como las cargas eléctricas ejercen fuerzas

entre sí. Es decir polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen.

En el año 1600 William Gilbert (1540 – 1603) amplió el experimento de Maricourt

aplicándolo a diferentes materiales. En base a que la aguja de una brújula se orienta en

direcciones preferenciales, sugirió que la Tierra es un imán permanente gigantesco. De allí

viene el nombre de “polos” por la forma en que un imán de barra, como el de una brújula se

comporta en presencia del campo magnético terrestre. En 1750, en otros experimentos se

utilizó una balanza de torsión para demostrar que los `polos magnéticos ejercen entre sí

fuerzas de atracción o repulsión y que estas fuerzas varían en función de la inversa del

cuadrado de la distancia entre los polos que interactúan. A pesar de la similitud con la fuerza

entre dos cargas eléctricas, estas últimas siempre pueden aislarse (electrón y protón) mientras

que nunca ha sido posible aislar un solo polo magnético, los polos magnéticos siempre se

encuentran en pares. Hasta ahora han sido infructuosos todos los intentos de separar los polos

magnéticos. Independientemente de cuantas veces se divida un imán, cada trozo tendrá

siempre un polo norte y un polo sur.

En 1819 el científico danés Hans Christian Oersted (1777 - 1851) reveló la correspondencia

entre la electricidad y el magnetismo, utilizando la “pila voltaica” recién descubierta para

establecer una corriente constante. Descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una

corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una

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aguja magnética situada en ese entorno. Este descubrimiento dio lugar al rápido desarrollo de

la comprensión del magnetismo y su relación con la electricidad.

Más tarde, durante 1820, Michael Faraday y Joseph Henry (1797 – 1878) demostraron

separadamente una importante relación entre la electricidad y el magnetismo, se podía crear

corriente eléctrica en un circuito variando un campo magnético en las proximidades del mismo.

Años después Maxwell demostró que la inversa también era válida, es decir que un campo

eléctrico variable crea un campo magnético.

Como el conocimiento inicial de las fuerzas magnéticas se debió a imanes permanentes,

esto oscureció la relación entre la electricidad y magnetismo. Solo después de un largo período

se comprendió que todos los campos magnéticos, incluso los asociados a imanes

permanentes, se deben al flujo de corrientes eléctricas. Las sustancias magnetizadas

permanentemente poseen campos magnéticos generados por corrientes que circulan dentro de

los átomos de la sustancia y que se suman en la superficie del imán para producir una corriente

superficial equivalente, esta corriente es la fuente del campo magnético.

En lo que sigue describiremos primero el comportamiento de cargas y corrientes en

presencia de campos magnéticos producidos exteriormente, sin considerar cómo se crea el

campo, esto nos permitirá definir el concepto de intensidad de un campo magnético en forma

razonable. Por último comprenderemos los campos magnéticos producidos por cargas móviles

o corrientes.

55..22 CCAAMMPPOOSS YY FFUUEERRZZAASS MMAAGGNNÉÉTTIICCAASS

Cuando estudiamos electrostática, describimos las interacciones entre objetos cargados

en función de “campos eléctricos”, repasemos las formulaciones realizadas oportunamente.

Representamos las interacciones en dos etapas:

1. Una distribución de cargas eléctricas en reposo genera un campo eléctrico E

en

el espacio circundante.

2. El campo eléctrico ejerce una fuerza EqF

sobre cualquier otra carga q que se

encuentre en el campo.

Vamos a describir ahora las interacciones magnéticas en forma similar.

1. Una carga en movimiento o corriente genera un campo magnético en el espacio

circundante (además de su campo eléctrico).

2. El campo magnético ejerce una fuerza F

sobre cualquier otra carga en

movimiento o corriente presente en el campo.

Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético es un campo vectorial asociado a cada

punto del espacio. Utilizaremos el símbolo B

para representar el campo magnético. La

dirección del campo magnético en cualquier lugar es la dirección a la cual apunta una brújula

colocada en dicha posición. Al igual que para el caso del campo eléctrico podemos representar

el campo magnético utilizando líneas de campo.

Ahora bien, ¿cuáles son las características de una fuerza magnética que se ejerce sobre

una carga en movimiento? Los experimentos realizados en diferentes partículas con carga que

se mueven en un campo magnético (supondremos que no existen ni campos eléctricos ni

gravitatorios) dan los siguientes resultados:

La magnitud de la fuerza magnética ejercida sobre la partícula es proporcional a

la carga q y a la velocidad v

de dicha partícula.

Cuando una partícula con carga se mueve en dirección paralela al vector campo

magnético, la fuerza que actúa sobre ella es igual a cero.

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Cuando el vector de velocidad de la partícula forma un ángulo 0 el campo

magnético, la fuerza magnética actúa en dirección perpendicular tanto a v

como a B

;

mF

es perpendicular al plano formado por v

y B

.

La fuerza magnética ejercida sobre una carga positiva tiene

dirección opuesta a la fuerza magnética ejercida sobre una carga negativa

que se mueva en la misma dirección.

La magnitud de la fuerza magnética que se ejerce sobre una

partícula en movimiento es proporcional al sen donde es el ángulo

formado por el vector velocidad de la partícula y la dirección de B

.

Resumiendo estas observaciones la fuerza magnética se describe

como )( BvqFm

que por definición de producto vectorial es

perpendicular tanto a v

como a B

(figura 1).

Esta ecuación nos permitirá conocer el campo magnético en algún punto del espacio con

solo medir la magnitud y dirección de una fuerza que éste ejerce sobre una carga en

movimiento.

La dirección del producto cruz Bv

se determina con la regla de la mano derecha. Para

ello dirijamos los dedos en la dirección de la velocidad, manteniendo la palma de la mano de

cara a B

y cerrando los dedos hacia B

, el pulgar extendido, que forma con los demás dedos

un ángulo recto, apunta en la dirección de Bv

. La fuerza magnética queda en la dirección del

pulgar si la carga q es positiva y en dirección contraria si q es negativa.

La magnitud de la fuerza magnética sobre una partícula con carga es

senBvqFm

Donde θ es el menor ángulo entre los vectores velocidad y campo magnético, por esta

expresión podemos ver que la fuerza magnética puede ser igual a cero cuando v es paralela o

antiparalela a B (θ = 0° ó 180°) y máxima cuando v es perpendicular a B (θ = 90°).

Por otro lado también podemos expresar la magnitud de la fuerza en forma algo diferente

aunque equivalente, y en ciertos puede resultarnos más conveniente; podemos interpretar a

como la componente del campo perpendicular a la velocidad, esto es B .

Con esta notación la magnitud de la fuerza resulta:

BvqFm

Antes de terminar este tema veremos que existen importantes diferencias entre las fuerzas

eléctrica y magnética:

El vector fuerza eléctrica actúa a lo largo de la dirección del campo

eléctrico, en cambio el vector fuerza magnética actúa perpendicularmente al

campo magnético.

La fuerza eléctrica actúa sobre una partícula con carga sin importar si

esta se encuentra en movimiento o no, mientras que la fuerza magnética sólo

actúa si la partícula con carga está en movimiento.

La fuerza eléctrica efectúa trabajo al desplazar una partícula cargada, en

tanto que la fuerza magnética asociada a un campo magnético estable no efectúa

senB

Figura 1

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4

trabajo cuando la partícula se desplaza, debido a que esta fuerza es perpendicular

al desplazamiento.

Teniendo en cuenta este último enunciado podemos concluir que la energía cinética de una

partícula cargada que se mueve en un campo magnético, no se modifica. El campo magnético

puede modificar la dirección del vector velocidad pero no puede cambiar su magnitud ni la

energía cinética de la partícula.

Si coexistiera un campo eléctrico con un campo magnético, sobre una partícula cargada se

produciría una fuerza eléctrica eF

, además de la fuerza magnética mF

. La fuerza total sobre la

carga será entonces la suma vectorial de las fuerzas eléctrica y magnética, o sea:

)( BvqEqFFF me

Esta es la fuerza que experimenta una partícula cargada en el caso más general, es decir

cuando actúan sobre ella campos eléctricos y magnéticos. Esta expresión se conoce como

fuerza de Lorentz en honor al físico holandés H. L. A. Lorentz (1853 – 1928).

Recuerden que es importante comprender que ninguna

fuerza magnética actúa sobre una carga en reposo.

De la ecuación de la fuerza podemos ver que la unidad de

medida del campo magnético, en el SI, es un Newton por cada

Coulomb por metro, por cada segundo, llamada Tesla (T).

smC

NT

11

Teniendo en cuenta que el Ampere es C/s:

Am

NT

11

55..33 MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS CARGADAS

EN UN CAMPO MAGNÉTICO

Cuando una partícula con carga se mueve en el interior de un campo magnético, actúa

sobre ella una fuerza dada por la ecuación BvqFm

y el movimiento se rige por las leyes

de Newton.

Veamos el siguiente ejemplo sencillo. Una partícula

con carga q se encuentra en el punto O, y se desplaza

con velocidad v

en un campo magnético uniforme B

dirigido hacia adentro de la página. Los vectores v

y B

son perpendiculares, por lo que la fuerza magnética

BvqFm

tiene magnitud BvqF y su dirección es,

como muestra la figura 2, perpendicular a v, por lo que no

puede alterar la magnitud de la velocidad, pero sí su

dirección. En este caso la fuerza magnética no posee una

componente paralela al movimiento de la partícula por lo

que nunca puede realizar trabajo sobre la misma. Esto es

válido aun cuando el campo no sea uniforme. El movimiento de una partícula cargada bajo la

influencia de un campo magnético es con rapidez constante.

X X X X X

X X X X X

X X X X X

X X X X X X X X X X

+

+

+

Figura 2

O

P

S

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5

En base a este principio, observemos que en la situación que muestra la figura 2, las

magnitudes tanto de fuerza F

como de velocidad v

son constantes, sin embargo en puntos

como el O, P o S las direcciones de F

y v

han cambiado. Por consiguiente la partícula se

traslada bajo la influencia de una fuerza de magnitud constante, que siempre forma un ángulo

recto con la dirección de la velocidad. Recordando lo estudiado en relación al movimiento

circular uniforme, vemos que la trayectoria de la partícula es un círculo. De acuerdo a la

segunda ley de Newton, teniendo en cuenta que la única fuerza que actúa es la fuerza

magnética y que la aceleración centrípeta es R

vm

2

, resulta:

R

vmamBvqF c

2

Donde m es la masa de la partícula. A partir de esta ecuación, podemos obtener el radio de

la trayectoria circular como:

Bq

p

Bq

vmR

Donde vmp es la magnitud de la cantidad de movimiento de la partícula. Si la carga q es

negativa, la partícula se traslada en sentido opuesto en torno a la órbita de la figura 2.

Podemos calcular la rapidez angular de la partícula recordando que Rv y combinando

esto con la ecuación anterior, resulta:

m

Bq

vm

Bqv

R

v

El número de revoluciones por unidad de tiempo es

2

f . Esta frecuencia f es

independiente del radio R de la trayectoria y se conoce como frecuencia de ciclotrón.

En el caso más general cuando la carga penetra en un campo magnético con una

velocidad oblicua (que forma un ángulo con la dirección del campo), podemos considerar por

separado las componentes horizontal (en la misma dirección del campo) y vertical

(perpendicular) de la velocidad. El movimiento resultante será la composición del movimiento

de avance según el eje X y el circular según el eje Y, es decir un movimiento helicoidal.

Movimiento resultante: hélice en el plano XZ

+

v

vx

vy

Componente vertical de la velocidad. El campo ejerce sobre la carga una fuerza perpendicular al plano del papel y que entra hacia él

Componente horizontal de la velocidad en la misma dirección que el campo. La carga no experimenta fuerza alguna en esta dirección. Movimiento rectilíneo y uniforme según el eje X.

B

X

Y

Z

Figura 3

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5.4 APLICACIONES DEL MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS CARGADAS Estudiaremos ahora varias aplicaciones de los principios que estudiamos en este tema.

5. 4. 1. Selector de velocidad

En un haz de partículas con carga producidas por un cátodo caliente no todas las

partículas se trasladan con la misma rapidez. Para algunas

aplicaciones se requiere que la rapidez de todas las partículas sea la

misma. Podemos seleccionar las partículas con una rapidez específica

mediante una configuración de campos eléctricos y magnéticos

perpendiculares entre sí (campos cruzados) llamada selector de

velocidad.

Observemos la figura 4, donde una partícula con carga q, masa m

y velocidad v entra en una región del espacio donde los campos

eléctrico y magnético son perpendiculares a la velocidad de la

partícula y uno respecto del otro. El campo eléctrico E

se dirige hacia

la izquierda y el campo magnético B

es entrante al plano del papel. Si

la carga es positiva, la fuerza eléctrica también se dirige hacia la

izquierda y su magnitud vale qEFe ; la fuerza magnética se dirige a

la derecha BvqFm . y su magnitud es

Conociendo los valores de los campos eléctrico E

y magnético B

para un valor particular de la velocidad las fuerzas magnética y

eléctrica serán de igual magnitud y por consiguiente la fuerza neta es cero y la partícula se

mueve en línea recta con velocidad constante. En este caso podemos plantear el equilibrio de

fuerzas sobre la partícula, es decir

0 BvqEq

BEvBvqEq

Podemos decir que solo las partículas que cumplan con la relación de que la velocidad sea

igual a B

E pasan sin ser desviadas por los campos.

Esto también es válido para partículas con carga negativa.

5. 4. 2. Espectrógrafos de masa

El espectrógrafo de masas es un dispositivo

experimental que permite separar iones de átomos

y/o moléculas en función de su masa. Se compone

de una cámara donde se producen los iones, un

pequeño acelerador lineal donde un campo eléctrico

les aplica una diferencia de potencial, y la zona de

detección donde un campo magnético los separa,

antes de que incidan sobre una placa de detección

(normalmente una placa fotográfica). En 1919,

Francis Aston (1877 – 1945), construyó la primera

familia de instrumentos denominados

espectrómetros de masa y lo utilizó para identificar,

separándolos en base a la diferencia de sus masas,

un gran número de isótopos (hasta entonces desconocidos) de elementos no radiactivos. Así

descubrió hasta 212 de los 287 isótopos naturales y aportó la regla que lleva su nombre, que

q

B E

v

Figura 4

Figura 5

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7

afirma que los elementos atómicos de número impar no pueden tener más de dos isótopos

estables. En 1922 recibió el premio Nobel de Química.

La figura 5 muestra un esquema simplificado del espectrógrafo de masas. Para investigar

los isótopos naturales se introduce un elemento, previamente vaporizado, en la cámara de

ionización, donde se inyectan electrones que ionizan sus átomos. Los iones obtenidos

(positivos) son acelerados por el campo eléctrico E y, después de pasar por el orificio de la

placa negativa del acelerador, entran en la zona de detección, donde se les aplica un campo

magnético B, perpendicular a su velocidad. La fuerza magnética curva su trayectoria,

dependiendo el radio de curvatura de la relación entre la masa y la carga de los iones. Así, por

ejemplo, si el elemento analizado tiene tres isótopos naturales, el ión de cada uno (con masa

diferente) se detectará en un lugar diferente de la placa, tal como se representa en la figura 5.

Teniendo en cuenta el principio de conservación de energía, las ecuaciones relevantes en

este proceso son la expresión que relaciona el potencial eléctrico que se les aplica con la

energía cinética que adquieren los iones en el acelerador:

2

2

1vmVq

y la expresión que calcula el radio de curvatura de la trayectoria circular que siguen los

iones en la zona de detección:

qB

mvR .

Combinando ambas, se obtiene la siguiente expresión para la relación entre la masa y la

carga del ión:

22

2

BR

V

q

m

5. 4. 3. Ciclotrón

Un ciclotrón es un tipo de acelerador de

partículas. El método directo de acelerar iones

utilizando una diferencia de potencial

presentaba grandes dificultades experimentales

asociadas a los campos eléctricos intensos. El

ciclotrón evita estas dificultades por medio de

la aceleración múltiple de los iones hasta

alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de

altos voltajes.

La mayoría de los actuales aceleradores de

partículas de alta energía descienden del

primer ciclotrón de protones de 1 MeV

construido por Ernest O. Lawrence y M. S.

Livingstone en Berkeley (California, EE. UU.)

El ciclotrón consta de dos placas

semicirculares huecas, que se montan con sus

bordes diametrales adyacentes dentro de un

campo magnético uniforme que es normal al

plano de las placas y se hace el vacío. A dichas placas se les aplican oscilaciones de alta

frecuencia que producen un campo eléctrico oscilante en la región diametral entre ambas.

Como consecuencia, durante un semiciclo el campo eléctrico acelera los iones, formados en la

región diametral, hacia el interior de uno de los electrodos, llamados Ds, donde se les obliga a

Figura 6

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8

recorrer una trayectoria circular mediante un campo magnético y finalmente aparecerán de

nuevo en la región intermedia.

El campo magnético se ajusta de modo que el tiempo que se necesita para recorrer la

trayectoria semicircular dentro del electrodo sea igual al semiperiodo de las oscilaciones. En

consecuencia, cuando los iones vuelven a la región intermedia, el campo eléctrico habrá

invertido su dirección y los iones recibirán entonces un segundo aumento de la velocidad al

pasar al interior de la otra “D”.

Como los radios de las trayectorias son proporcionales a las velocidades de los iones, el

tiempo que se necesita para el recorrido de una trayectoria semicircular es independiente de

sus velocidades. Por consiguiente, si los iones emplean exactamente medio ciclo en una

primera semicircunferencia, se comportarán de modo análogo en todas las sucesivas y, por

tanto, se moverán en espiral y en resonancia con el campo oscilante hasta que alcancen la

periferia del aparato.

Su energía cinética final será tantas veces mayor que la que corresponde al voltaje

aplicado a los electrodos, multiplicado por el número de veces que el ion ha pasado por la

región intermedia entre las “Ds”, de la siguiente manera:

Primera vuelta: 2

2

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

vmvmVq

vmVq

Segunda vuelta:

2

4

2

3

2

3

2

2

2

1

2

1

2

1

2

1

vmvmVq

vmvmVq

N-ésima vuelta: 22

1

2

1

2

2

2

1

2

1

2

1

2

1

nn

nn

vmvmVq

vmvmVq

Sumando miembro a miembro a ambos lados de las igualdades y simplificando

convenientemente los términos, resulta:

2

2

12 fvmVqn

La velocidad de la partícula crece de este modo adquiriendo un valor máximo igual a:

m

Vqnv f 2

Donde la frecuencia de oscilación de la partícula debe coincidir con la frecuencia del

generador: m

BqC .

Recordemos que también podemos obtener la velocidad de salida o final, teniendo en

cuenta el radio máximo del ciclotrón a partir de la ecuación de la segunda ley de Newton:

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9

m

RBqv máx

f

55..55 FFLLUUJJOO MMAAGGNNÉÉTTIICCOO YY LLEEYY DDEE GGAAUUSSSS PPAARRAA EELL MMAAGGNNEETTIISSMMOO

Cuando estudiamos electrostática definimos el flujo eléctrico a través de una superficie,

como la integral de la componente de E

normal a la superficie en un área dada. Análogamente

definiremos el flujo magnético ΦB a través de una superficie S dada como la integral de la

componente normal de B

a la superficie, sobre el área especificada.

Supongamos la superficie S de la figura 3, en el punto P hay un pequeño elemento de área,

da. Por lo general el campo magnético B

no será constante ni en magnitud ni en dirección

sobre toda la superficie, sino que el vector B

nos da el valor local del campo magnético en el

punto P. La componente del campo normal a la superficie en este punto es simplemente la

componente del campo en la dirección del vector normal al área:

cosBBn

Al elemento de flujo a través del área da, lo definiremos como el producto de la

componente del campo magnético normal a la superficie por el área da, es decir

adBdaBdaBd nB

cos

Para evaluar el flujo total ΦB que pasa por toda la superficie S debemos integrar sobre

todos los elementos de área que constituyen S, o sea:

S

B adB

En general evaluar esta superficie puede resultarnos una tarea larga y difícil. Pero si el

campo magnético B

es de magnitud y dirección constantes en todos los puntos y si además el

área a través de la cual evaluaremos el flujo es plana, de manera que el vector normal también

sea constante en todos los puntos, la tarea es mucho más fácil. En este caso el campo B

puede sacarse fuera de la integral

S

nB daB

O bien

coscos ABdaBS

B

Donde A es el área total de la superficie S. Si por otro lado la dirección de B

es normal a la

superficie, el ángulo entre B

y el vector normal es cero, y la ecuación anterior queda

ABB

La unidad de flujo magnético corresponde a la unidad de campo multiplicada por la unidad

de área, esto es:

WbmA

Nm

mA

NmTB 22

En honor al físico alemán Wilhelm Weber

(1804 – 1891). Es frecuente usar como unidad

de campo magnético el 2m

Wb

En la ley de Gauss el flujo eléctrico a través

de una superficie cerrada es proporcional a la

carga encerrada por la superficie. Pero si la

superficie cerrada contiene un dipolo, por

da da

Figura 7

P

S

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10

ejemplo, el flujo eléctrico totales cero porque la carga neta es cero. Por analogía, si existiera

algo así como una carga magnética individual, el flujo magnético a través de una superficie

cerrada sería proporcional a la carga magnética encerrada.

Pero como hemos mencionado anteriormente jamás pudo

separarse un monopolo magnético a pesar de que se ha

intentado exhaustivamente, por lo tanto concluimos que el

flujo magnético total, a través de una superficie cerrada es

igual a cero. En forma simbólica:

0S adB

Podemos verificar lo dicho en forma gráfica si dibujamos

una superficie cerrada alrededor de cualquier configuración

de campo magnético, como por ejemplo el de un imán de

barra, veremos que todas las líneas de campo que entran

en la superficie también salen de ella, por lo que el flujo neto a través de la superficie es cero.

De esto podemos decir que las líneas de campo magnético son espiras cerradas.

55..66 FFUUEERRZZAA MMAAGGNNÉÉTTIICCAA SSOOBBRREE UUNN CCOONNDDUUCCTTOORR QUE

TRANSPORTA CORRIENTE

¿Qué es lo que hace funcionar un motor eléctrico? Las fuerzas que lo hacen girar son

fuerzas que un campo magnético ejerce sobre un conductor que transporta corriente.

""-Las fuerzas magnéticas sobre las cargas en movimiento del interior del conductor se

transmiten al material del conductor, y el conductor en conjunto experimenta una fuerza

distribuida a todo lo largo del mismo. Podemos calcular la fuerza que actúa sobre un conductor

que transporta corriente a partir de la fuerza sobre una sola carga BvqFm

.

Supongamos, en primer lugar, un segmento recto de un conductor de longitud l y área A

como muestra la figura 9, la corriente es de abajo hacia arriba. El alambre se encuentra en un

campo magnético uniforme B

, perpendicular al plano del diagrama y dirigido hacia el papel.

Supongamos en primer término que las cargas en movimiento son positivas. Más adelante

veremos que ocurre cuando son negativas.

Las cargas se mueven con velocidad de deriva perpendicular al campo magnético B

y

ascendente. La fuerza promedio sobre cada carga es BvqF dm

, dirigida hacia la izquierda

como se muestra en la figura; como el campo magnético B

es perpendicular a la vd, la magnitud

de la fuerza es BvqF dm

Podemos deducir una expresión de la fuerza total sobre todas las cargas en movimiento

en un tramo del conductor de longitud l y área de sección transversal A empleando el mismo

lenguaje que utilizamos al estudiar conducción de

corriente. El número de cargas por unidad de volumen

es n; un segmento del conductor de longitud l tiene un

volumen Al y contiene un número de cargas igual a nAl.

La fuerza total F sobre todas las cargas en movimiento

de este segmento tiene magnitud

BlAvqnBvqlAnF ddm

)(

BlIF

Si el campo B

no es perpendicular al alambre, sino

Figura 8

X X X X X

X X X X X

X X X X

X X X X X X X X X X

Figura 9

vd

J

F l

A

I

Page 11: Campos_Magneticos.pdf

Ing. Graciela M. Musso Prof. Adjunta Física II

11

que forma un ángulo θ con él, la situación se maneja en forma análoga al caso del movimiento

de una sola carga. Únicamente la componente de B

perpendicular al alambre (y a las velo-

cidades de deriva de las cargas) ejerce una fuerza; esta componente es senBB . De

este modo la fuerza magnética sobre el segmento recto de alambre es

BlIF

Si el conductor no es recto, podemos dividirlo en elementos infinitesimales ld

. En este

caso la fuerza sobre cada elemento es

BldIFd

Para obtener la fuerza total sobre todo el elemento de corriente de forma arbitraria,

debemos integrar la expresión anterior a lo largo de todo el alambre. Esta integral es una

integral de línea.

Sólo nos falta considerar que sucede si las cargas en movimiento son negativas, como los

electrones en el metal, por ejemplo. En este caso una corriente ascendente, como en la figura

9, correspondería a una velocidad de deriva hacia abajo. Sin embargo como la carga es

negativa, la dirección de la fuerza será la misma que antes. De esta manera todas las

ecuaciones analizadas precedentemente son válidas para cargas tanto positivas como

negativas.

Ejemplo 5.1:

Un conductor recto horizontal de cobre, como muestra la figura, transporta una corriente

de 50,0 A, de oeste a este en una región donde existe un campo magnético de 1,20 T dirigido

hacia el noreste, formando un ángulo de 45° con la dirección del conductor.

a) Encuentre la magnitud y dirección de la fuerza magnética sobre un trozo de alambre de

1 m de longitud.

b) Conservando el conductor en posición horizontal, ¿cómo debe orientarse el conductor

para que la fuerza sea

máxima? ¿cuál es la magnitud

de la fuerza en este caso?

Respuesta:

a) El ángulo entre las

direcciones de la corriente y el

campo magnético es de 45°. A

partir de las ecuaciones vistas

precedentemente, obtenemos:

NsenTmAsenBlIF 4,4245)20,1()00,1()0,50(

La dirección de la fuerza es perpendicular al plano formado entre la corriente y el campo,

los cuales se encuentran en el plano horizontal, con lo que concluimos, aplicando la regla de la

mano derecha, que la fuerza debe ser vertical.

Si queremos expresar la fuerza en forma vectorial:

kNjseniTimABlIF ˆ)4,42(ˆ)45(ˆ)45(cos)20,1(ˆ)00,1()0,50(

b) La magnitud de la fuerza es máxima cuando 90 de modo que l

y B

son

perpendiculares. Para que la fuerza continúe siendo hacia arriba, hacemos girar el conductor

Norte

Oeste

Sur

Este

Figura 10

Page 12: Campos_Magneticos.pdf

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12

45° en sentido de las manecillas del reloj con respecto a su orientación inicial, de modo que la

corriente fluya hacia el sureste. En este caso la magnitud de la fuerza magnética es:

NTmABlIF 0,60)20,1()00,1()0,50(

Ejemplo 5.2:

En la figura 11, el campo magnético B

es uniforme y perpendicular al plano de la página y

apunta hacia afuera. El conductor tiene un

segmento recto de longitud L perpendicular al

plano de la figura a la derecha, con la corriente

opuesta a B

; seguido de un semicírculo de

radio R; y finalmente otro segmento recto de

longitud L paralelo al eje x, como muestra la

figura. El conductor transporta una corriente I.

proporcione la fuerza magnética total sobre los

tres segmentos de alambre.

Respuesta:

Resolvamos primero las partes fáciles (los segmentos rectos). Sobre el segmento de la

derecha perpendicular al plano de la figura no hay ninguna fuerza porque es antiparalelo a B

(

0180 seny ); por lo tanto 0BL

. En el caso del segmento recto de la izquierda, L

apunta hacia la izquierda (en la dirección de la corriente), perpendicular a B

. La magnitud de

la fuerza es F = I L B, y su dirección es hacia arriba (la dirección +y en la figura).

La parte divertida es el semicírculo. La figura muestra un segmento ld

de longitud

dRdl ubicada en una posición, cuyo radio vector forma el ángulo con el eje horizontal.

La dirección de Bld

es radialmente hacia afuera con respecto al centro; no te olvides de

verificar esta dirección. Puesto que ld

y B

son perpendiculares, la magnitud dF de la fuerza

sobre el segmento dl es simplemente dF = I dl B; por tanto, tenemos que

BdRIdF )(

Cuyas componentes sobre el elemento dl son:

cosBdIRdFx senBdIRdFy

Para proporcionar las componentes de la “fuerza total” debemos integrar estas

expresiones, haciendo que varíe de 0 a π para incluir todo el semicírculo. Obtenemos lo

siguiente:

0cos0

dBRIFx

BRIdsenBRIFy 20

Por último, hallemos la fuerza total sumando las fuerzas sobre los segmentos rectos y el

semicircular:

0xF

jRLBIFyˆ)2(

Podríamos haber predicho por simetría que la componente x de la fuerza sobre el Nota:

semicírculo seria cero. Ya que sobre la mitad derecha del semicírculo la componente x de la

fuerza es positiva (hacia la derecha), y en la mitad izquierda es negativa (hacia la izquierda);

Figura11

Page 13: Campos_Magneticos.pdf

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13

por lo tanto las contribuciones positiva y negativa se cancelan de a pares.

Observemos que la fuerza neta sobre los tres segmentos juntos es la misma fuerza que se

ejercería si se sustituyese el semicírculo por un segmento recto a lo largo del eje de las X.

FFUUEERRZZAA YY MMOOMMEENNTTOO DDEE TTOORRSSIIÓÓNN EENN UUNNAA EESSPPIIRRAA DDEE 5.7

CCOORRRRIIEENNTTEE

Generalmente, los conductores que transportan corriente forman espiras cerradas; por lo

que utilizaremos los resultados de la sección anterior para encontrar la fuerza y el momento de

torsión magnéticos totales sobre un conductor con forma de espira. Muchos dispositivos

prácticos hacen en uso de la fuerza o momento de torsión magnético sobre una espira

conductora.

Por consiguiente, los resultados de esta sección

tienen una importancia práctica considerable.

Como ejemplo, examinemos una espira rectangular

de corriente en un campo magnético uniforme.

Hallaremos que la fuerza total sobre la espira es cero,

pero que puede tener un momento de torsión neto que

actúe sobre la espira, con algunas propiedades

interesantes.

La figura 12 muestra una espira rectangular de

alambre con lados de longitudes a y b. La línea

perpendicular al plano de la espira (esto es, la normal

plano) forma un Angulo Φ con la dirección del campo

magnético B

, y la espira transporta una corriente I. Se

omiten los alambres que introducen y sacan la corriente

de la espira, así como de la fuente de fem, para simplificar el diagrama.

La fuerza F

sobre el lado derecho de la espira (longitud a) está a la derecha en la

dirección + x como muestra la figura. En este lado, B

es perpendicular a la dirección de la

corriente, y la fuerza sobre este lado tiene magnitud

F = I a B

Una fuerza F

de la misma magnitud pero en dirección opuesta actúa sobre el lado

opuesto de la espira, como se muestra en la figura.

Los lados de longitud b forman un ángulo (90° - Φ) con la dirección de B

. Las fuerzas

sobre estos lados son los vectores 'F

y 'F

; su magnitud está dada por

cos)90(' BbIsenBbIF

Las líneas de acción de ambas fuerzas se encuentran a lo largo del eje de y.

La fuerza total sobre la espira es cero porque las fuerzas sobre lados opuestos se cancelan

por pares. La fuerza neta sobre una espira de corriente en un campo magnético uniforme es

cero. No obstante, el momento de torsión neto en general no es igual a cero. Las dos fuerzas

'F

y 'F

de la figura yacen a lo largo de la misma línea y, por tanto, dan origen a un momento

torsión neto igual cero con respecto a cualquier punto. En cambio las dos fuerzas F

y F

yacen lo largo de líneas diferentes, y cada una da origen a un momento de torsión en torno al

eje y. De acuerdo con la regla de la mano derecha para hallar la dirección de los momentos de

torsión, los momentos de torsión vectoriales debidos a F

y F

tienen ambos la dirección +y;

Figura 12

Page 14: Campos_Magneticos.pdf

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14

por tanto, el momento de torsión vectorial neto T también tiene la dirección +y. EI brazo de

palanca de cada una de estas fuerzas es senb2

,por lo tanto, la magnitud del momento de

torsión debido a cada fuerza es senbF2

y por consiguiente la magnitud del momento de

torsión neto es:

)()(2

2 senbBaIsenbF

El momento de torsión es máximo, figura 12-a, cuando Φ = 90°, B

está en el plano de la

espira y la normal a este plano es perpendicular a B

.

El momento de torsión cero cuando Φ es cero o

180° y la normal a la espira es paralela o antiparalela al

campo (Fig. 12-b). El valor Φ = 0 es una posición de

equilibrio estable porque el momento de torsión es cero

en ese punto, y cuando se hace

girar la espira un poco respecto a

esta posición, el momento de

torsión resultante tiende a hacerlo girar hacia Φ=0.. La posición Φ = 180° es una posición de equilibrio inestable; si se desplaza un poco respecto a

esta posición, la espira tiende a trasladarse aún más de Φ = 180°. Como

el producto de ab es el área A de la espira, podemos escribir la ecuación

anterior como

corriente) de espira unaen torsión de momento del (magnitud

senBAIsenBbaI

El producto BA se denomina momento dipolar magnético (magnitud del momento

torsión sobre una espira de corriente) o momento magnético de la espira, y se representa

mediante el símbolo μ (la letra griega "mu"):

BA

Es análogo al momento dipolar eléctrico analizado oportunamente. En términos de μ, la

magnitud del momento de torsión sobre una espira de corriente es

senB

Donde Φ es el ángulo entre la normal a la espira y B

. EI momento de torsión tiende a

hacer girar la espira en la dirección de Φ decreciente, es decir, hacia su posición de equilibrio

estable donde la espira yace en el plano xy, perpendicular a la dirección del campo B

. Una

espira de corriente, o cualquier otro cuerpo que experimenta un momento de torsión

magnético dado por la ecuación anterior, recibe también el nombre de dipolo magnético.

Además podemos definir un momento magnético vectorial

, de magnitud IA; como se

muestra en la figura 13. La dirección de

se define como perpendicular plano de la espira,

con un sentido determinado por la regla de la mano derecha muestra

en la figura 13. Doble los dedos de su mano derecha en torno al

perímetro de la espira en la dirección de la corriente. A continuación

extienda el pulgar de modo que sea perpendicular al plano de la espira;

su dirección es la dirección de

. (y del área vectorial A de la espira).

El momento de torsión es máximo cuando

y B

son perpendiculares, y

es cero cuando son paralelos o antiparalelos. En la posición de

Figura 12-a

Figura 12-b

Figura 13

Page 15: Campos_Magneticos.pdf

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15

equilibrio estable,

y B

son paralelos.

Por último, podemos expresar el momento de torsión en forma vectorial como

B

Aunque hemos deducido las ecuaciones anteriores con respecto a una espira rectangular

de corriente, todas estas relaciones son aplicables a una plana de cualquier forma.

Podemos generalizar asimismo toda esta formulación con respecto a una bobina

consistente en N espiras en un plano próximas entre sí; el efecto es simplemente el de

multiplicar cada fuerza, el momento magnético, el momento de torsión y la energía potencial

por un factor de N.

55.. 88 EEFFEECCTTOO HHAALLLL Cuando colocamos un conductor de corriente, con forma de cinta, en un campo magnético,

se genera una diferencia de potencial en una dirección perpendicular tanto a la corriente como

al campo magnético. Este fenómeno fue observado por primera vez por Edwin Hall (1855 –

1938) en 1879.

El modelo utilizado para observar este efecto consta de un conductor plano que transporta

una corriente en una dirección determinada.

Supongamos el conductor de la figura 14 que

transporta una corriente en la dirección x, en el

interior de un campo magnético uniforme B

en la

dirección del eje y.

Si los portadores de carga son los electrones

que se mueven en la dirección negativa del eje de

las x con una velocidad de arrastre dv

,

experimentan una fuerza magnética hacia arriba

BvqF dm

y son desviados en la misma

dirección. Por consiguiente existe una acumulación

de cargas negativas en el borde superior del

conductor plano y un exceso de carga positiva en

el borde inferior. Esta acumulación de carga en los

bordes establece un campo eléctrico transversal en

el conductor que se incrementa hasta que la fuerza magnética que actúa sobre los portadores

se equilibra con la fuerza eléctrica que se genera sobre los mismos por el campo eléctrico

creado (conocido como campo Hall), figura 15. Cuando alcanza el equilibrio, los electrones ya

no son desviados hacia arriba y podemos medir, con un multímetro sensible, la diferencia de

potencial generada entre los bordes, conocida como potencial Hall, HH .

Vamos a deducir una expresión que defina el voltaje Hall, partiendo del equilibrio de

fuerzas magnética y eléctrica:

em FF

Hd qEBvq

BvE dH

Si llamamos d al ancho del conductor, el

potencial Hall es igual a

d

t

Fm

-

I

y

z

x

Figura 14

Figura 15

X X X X X X X X

- - - - - - - X X X X X X X X

+ + + + + + + X X X X X X X X

Fm

-

Fe

I I

Page 16: Campos_Magneticos.pdf

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16

1dBvdEV dHHall

Por lo tanto el potencial Hall da una idea de la velocidad de arrastre de los portadores de

carga si se conocen los valores de d y B.

Si conocemos el valor de la corriente (o la podemos medir) podemos obtener la densidad de portadores

de carga n, recordando que AvqnI d , con lo que podemos expresar la velocidad de arrastre como

Aqn

Ivd

donde A es la sección transversal del conductor (A = t d). Reemplazando este valor de la velocidad de

deriva en la ecuación (1)

tqn

BI

Aqn

dBIVHall

Llamaremos coeficiente Hall a la relación qn

RH

1 Esto nos muestra que un conductor correctamente

calibrado puede ser utilizado para medir la magnitud de un campo magnético.

Si los portadores de carga fuesen positivos (Figura

16) y por lo tanto se desplazan en la dirección positiva de

las x, también experimentarían una fuerza

BvqF dm

hacia arriba. Esto produciría una

acumulación de cargas positivas en el borde superior

dejando un exceso de cargas negativas en el borde

inferior, lo que generaría un campo eléctrico Hall en

sentido opuesto al correspondiente a la desviación de

electrones. Por consiguiente podemos conocer el signo de

los portadores de carga partiendo de la polaridad que

tiene el potencial Hall.

Ejemplo 5.3:

Una tira de cobre rectangular de 1,5 cm de ancho y 0,10 cm de espesor transporta una

corriente de 5,0 A. Encontrar el potencial Hall para un campo magnético de 1,2 T aplicado en

una dirección perpendicular a la tira.

Respuesta:

Vamos a suponer que un electrón por átomo está disponible para la conducción y

tomaremos la densidad de portadores de carga como 8,46 x 1028 electrones/m3.

V

mCm

TA

tqn

BIVHall

6

19

3

28

1044,0

)0010,0()106,1(1

1046,8

)2,1(0,5

VVHall 44,0

Ejemplo 5.4:

Una placa de cobre de 2.0 mm de espesor y 1.50 cm de ancho se encuentra en un campo

magnético uniforme cuya magnitud es de 0,40 T, como muestra la figura 15. Cuando fluye una

corriente de 75 A en la dirección +x, una medición cuidadosa del potencial en la parte inferior

Figura 16

I

Fe

Fm

+ I

x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - -

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Ing. Graciela M. Musso Prof. Adjunta Física II

17

de la placa indica que es 0.81 μV más grande que en la parte superior. Con base en esta

medición, halle la concentración de electrones móviles en el cobre.

Respuesta:

)100,2()106,1(

751081,0

319

6

mCn

AV

tqn

BI

Aqn

dBIVHall

3

28

3196

1106,11

)100,2()106,1()1081,0(

75

mmCV

An

3

28 1106,11

mn

55.. 99 FFUUEENNTTEESS DDEE CCAAMMPPOO MMAAGGNNÉÉTTIICCOO

Hasta ahora hemos centrado nuestra atención en la descripción de fuerzas de origen

magnético, sobre cargas en movimiento o conductores de corriente, ubicados en el interior de

un campo magnético externo, pero no tuvimos en cuenta como se producen dichos campos

magnéticos. Ahora volveremos sobre los

experimentos de Oersted y describiremos el

campo magnético producido por una corriente

constante que circula por un conductor

uniforme.

Poco después que Oersted descubriera,

en 1819, que la aguja de una brújula se

desviaba en presencia de un conductor que

transporta una corriente, Jean Baptiste Biot

(1774 – 1862) y Félix Savart (1791 - 1841)

realizaron experimentos cuantitativos en

relación con la fuerza ejercida por una

corriente eléctrica sobre un imán cercano. De

sus resultados experimentales Biot y Savart llegaron a una expresión matemática que da el

valor del campo magnético en algún punto del espacio en función de la corriente que produce

dicho campo.

Esta expresión se basa en las siguientes observaciones experimentales para el campo

magnético Bd

en un punto P, asociado con un elemento de longitud ld

de un alambre por el

que pasa una corriente estable I.

El vector Bd

es perpendicular tanto a ld

(que apunta en la dirección de la

corriente) como al vector unitario r̂ , dirigido desde ld

hacia P.

La magnitud de Bd

es inversamente proporcional a r2, donde r es la distancia de

ld

a P.

La magnitud de Bd

es proporcional a la corriente y a la magnitud dl del elemento

de longitud ld

La magnitud de Bd

es proporcional al sen θ, donde θ es el ángulo formado entre

los vectores ld

y r̂ .

r

r I

P’

Figura 17

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18

Estas observaciones se resumen en la expresión matemática que conocemos como

Ley de Biot y Savart:

2

0 ˆ

4 r

rldIBd

Donde 0 es una constante llamada permeabilidad magnética del espacio vacío y

su valor es: A

Tm7

0 104 .

Observemos que el campo Bd

es creado en un punto por la corriente de un pequeño

elemento ld

del conductor. Para determinar el campo total B

, que se crea en cualquier punto

por una corriente de tamaño finito, debemos sumar todas debemos integrar la ecuación

anterior:

2

0 ˆ

4 r

rldIB

sobre la distribución completa de corriente.

La expresión de Biot y Savart también es válida para partículas que fluyen a través del

espacio como por ejemplo el haz de electrones en el tubo de un televisor.

55.. 99.. 11 CCAAMMPPOO MMAAGGNNÉÉTTIICCOO AALLRREEDDEEDDOORR DDEE UUNN CCOONNDDUUCCTTOORR RREECCTTOO

Consideremos un alambre delgado que transporta una corriente constante I y que está

colocado a lo largo del eje x. Tomemos un elemento dl ubicado a una distancia r de un punto P

donde queremos evaluar el campo. La dirección del campo magnético en el punto P debida a la

corriente en este

elemento es hacia

afuera de la página

porque el producto

vectorial rld ˆ

posee

esa dirección en el

punto P. Como todos

los elementos de

corriente ldI

están en

el plano de la página,

todos producen un

campo magnético

dirigido hacia afuera de la página. Si consideramos al punto P sobre el eje y, el vector unitario

que apunta hacia afuera de la página es k̂ .

kdxksendxkrldrld ˆ)cos(ˆ)2

(ˆˆˆ

Sustituyendo este valor en la ecuación de Biot y Savart

kr

dxIkdBBd ˆcos

4ˆ)(

2

0

Para poder integrar con el propósito de encontrar el campo resultante, es necesario

expresar todos los parámetros en función de una sola variable, en este caso en términos de θ.

P

y

I x

a

r θ

x Figura 18

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19

Como a

xtg

(ya que dl se encuentra en el lado negativo de las x) tgax , por

lo tanto

2

2

cossec

dadadx

.

cos

ar

Sustituyendo este valor en la expresión de Biot y Savart

d

I

a

daIdB cos

4cos

coscos)(

4

0

22

20

Integrando sobre todos los elementos de longitud en el alambre, donde los ángulos

subtendidos varían de θ1 a θ2.

2100

4cos

4

2

1

sensen

Id

IB

Podemos usar este resultado para encontrar el campo magnético de cualquier alambre

recto si se conoce la geometría del conductor y por ende los ángulos 1 y 2 . Si consideramos

el caso especial de un alambre recto infinitamente largo, veremos qué 2

1

y

22

para elementos de longitud que varían entre x y x , en este caso

a

Isen

a

Id

a

IB

24

cos4

02

2

02

2

0 2

a

IB

2

0

5. 9. 2 CAMPO MAGNÉTICO DEBIDO A UN CONDUCTOR CURVO

Calcularemos el campo magnético generado por un segmento

de alambre portador de corriente, como el que muestra la figura

19, en el punto O. El alambre consiste en dos tramos rectos y un

arco circular de radio a, que subtiende un ángulo θ.

El campo magnético debido a la corriente en los segmentos

rectos AA’ y CC’ es cero ya que ld

es paralelo a r̂ a lo largo de

esas trayectorias y 0ˆ rld

.

Para calcular el campo magnético debido al segmento curvo

aplicaremos Biot y Savart.

Cada elemento de longitud ld

, a lo largo de la trayectoria AC

está a la misma distancia a desde el punto O y la corriente en cada

uno aporta un elemento de campo Bd

entrante en la página en O.

Además en cada punto de la curva, ld

es perpendicular a r̂ por

lo tanto dlrld ˆ

I

I

a O θ

A

A’

C

C’ Figura 19

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20

Aplicando la ecuación de Biot y Savart 2

0

4 a

dlIdB

. Integrando esta ecuación a lo largo

de la trayectoria curva AC, y observando que I y a son constantes, obtenemos:

la

Idl

a

IB

2

0

2

0

44

como l = a θ

2

0

2

0

4)(

4 a

Ia

a

IB

A medida que el ángulo aumenta, el segmento curvo se convierte en un círculo cuando

2 . Debido a esto podemos encontrar el campo magnético en el centro de una espira

circular, al hacer 2 .

a

I

a

IB

22

4

0

2

0

5. 9. 3 CAMPO MAGNÉTICO EN EL EJE DE UNA ESPIRA CIRCULAR

Consideremos una espira

circular de radio a que es

circulada por una corriente I.

calcularemos el campo

magnético sobre un pinto P

situado sobre el eje de la misma

a una distancia y desde el centro

de la espira.

Tomemos un elemento ld

en la parte superior del anillo,

que aporta en el punto P un

campo magnético Bd

que de

acuerdo con ley de Biot y Savart

es:

)(4

ˆ

4 22

0

2

0

ya

dlI

r

rldIBd

ya que

90ˆ sendlrld

Teniendo en cuenta la simetría, las componentes perpendiculares del campo debidas a

elementos diametralmente opuestos se cancelan de a pares para todos los elementos del

anillo, de modo que podemos ignorar la componente perpendicular del campo y considerar sólo

las componentes paralelas al eje para después sumarlas.

cos

)(4 22

0

ya

dlIdBy

Integrando a lo largo de toda la espira

cos

)(4 22

0

ya

dlIBdB yy

z

y

r

P

θ

a

x

y

θ

dBy

dBz dB

Figura 20

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21

De la geometría 2

122 )(

cosya

a

dlya

aI

ya

a

ya

dlIBy

23

22

0

21

2222

0

)(4)()(4

23

22

20

23

22

0

)(2)2(

)(4 ya

aIa

ya

aIBy

En el centro de la espira, y = 0 por lo que

a

IB

2

0

5. 9. 4 CAMPO MAGNÉTICO GENERADO POR DOS ESPIRAS CIRCULARES

Consideremos dos espiras circulares idénticas que llevan corrientes iguales I, como indica

la figura 16. Sus planos están inclinados entre sí formando un ángulo de 2θ, como se indica en

la figura. Demostraremos que en cualquier parte del plano AB que biseca al ángulo, el campo

magnético resultante

debe ser normal al

plano.

Como las espiras

son idénticas y

conducen corrientes

iguales, los campos

magnéticos 1B

y 2B

son simétricos. El plano

AB es equidistante de

los centros de las dos

espiras. Consideremos ahora una línea representativa

del campo magnético 1B

producido por la espira de la izquierda, como

por ejemplo la línea QP

y su correspondiente

PQ’ en el campo

magnético 2B

por la

espira del lado derecho. Por la disposición simétrica del plano AB

con respecto a los planos de las espiras, es evidente que las longitudes de arco QP y PQ’ son

iguales, lo mismo que sus ángulos de intersección con el plano AB, Φ1 y Φ2. Por otro lado

como las corrientes son iguales, las magnitudes de los campos 1B

y 2B

también son iguales.

Si observamos la figura, veremos que las componentes transversales 11 cosB

y 22 cosB

son

de igual magnitud pero de signo contrario, por lo que se cancelan, quedando sólo las

Q

A

B

B2

B1

Espira 1 Espira 2

Φ2

Φ1

θ θ

Figura 21

P

Q’

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22

componentes perpendiculares 11 senB

y 22 senB

. Por lo tanto la magnitud del campo

magnético resultante será

senBsenBsenBB 12211 2

En síntesis los campos magnéticos producidos por distintas corrientes pueden

superponerse o sumarse para obtener un campo magnético total, de la misma forman que

pueden superponerse los campos debidos a una serie de cargas puntuales para obtener un

campo eléctrico total. Por lo tanto, si existen varios conductores que llevan corrientes I1, I2, I3,

…, las cuales dan lugar a los campos magnéticos ,,, 321 BBB

…, de acuerdo a la ley de Biot y

Savart, el campo magnético total puede expresarse como la suma vectorial de los campos

individuales ,,, 321 BBB

…, lo que nos permite escribir

n

i in BBBBBB1321

,

donde cada uno de los campos individuales está relacionado con su propia corriente generatriz

Ii por medio de

2

4 i

iii

r

rldIB

.

55..1100 FFUUEERRZZAA MMAAGGNNÉÉTTIICCAA SSOOBBRREE DDOOSS CCOONNDDUUCCTTOORREESS PPAARRAALLEELLOOSS

Ya hemos descripto la fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta una

corriente en presencia de un

campo magnético externo.

Como la corriente de un

conductor genera su propio

campo magnético, podemos

comprender que dos

conductores que llevan

corrientes ejercen fuerzas

magnéticas entre sí.

Imaginemos dos alambres rectos y paralelos separados una distancia a que conducen

corrientes I1 e I2 respectivamente, en la misma dirección.

Podemos determinar la fuerza ejercida sobre un alambre debida al campo magnético

generado por el otro. Supongamos que el alambre 2 es la fuente de campo y que en la

ubicación del alambre 1 crea el campo B2, perpendicular al mencionado conductor. La fuerza

magnética en un tramo de longitud l del alambre 1 es 211 BlIF

Como l es perpendicular, en este caso, a B2, la magnitud de F1 es 211 BlIF

Por otro lado la magnitud de B2 esa

I

2

20 . Por lo tanto

a

lII

a

IlIF

22

2102011

.

Observemos que la dirección de la fuerza F1 es hacia el alambre 2. Si calculamos el

campo generado por el conductor 1 sobre el alambre 2, podemos encontrar la fuerza que actúa

sobre dicho alambre 122 BlIF ; a

lII

a

IlIF

a

IB

222

2101022

101

que es igual en

magnitud pero con sentido opuesto a F1. Esto es lo que esperábamos si tenemos en cuenta la

tercera ley de Newton. Por consiguiente los dos conductores se atraen.

Cuando dos corrientes transportadas tienen direcciones opuestas, las fuerzas se invierten

y los alambres se repelen.

Page 23: Campos_Magneticos.pdf

Ing. Graciela M. Musso Prof. Adjunta Física II

23

Podemos resumir esto diciendo que cuando dos conductores paralelos llevan corriente en

la misma dirección se atraen y conductores paralelos que llevan corrientes con direcciones

opuestas se repelen.

Utilizaremos la fuerza entre dos conductores paralelos para definir el ampere de la

siguiente manera:

Cuando la magnitud de la fuerza por unidad de longitud entre dos alambres largos y

paralelos que transportan corrientes idénticas es igual a 2 x 10-7

N/m y además los

conductores están separados 1 m, definimos la corriente en cada alambre como 1 A.

Es decir el valor 2x10-7

N/m lo obtenemos a partir de la ecuación anterior, haciendo I1 = I2

= 1 A y a = 1m.

De la misma forma definiremos al coulomb (unidad de carga SI) como la cantidad de

carga que atraviesa una sección transversal de un conductor que lleva una corriente de

1 A, durante 1 seg.

55.. 1111 LLEEYY DDEE AAMMPPEERREE

El descubrimiento de Oersted en 1819 del desvío de las agujas de las brújulas en las

proximidades de un conductor que transporta corriente, demostró que el conductor produce un

campo magnético a su alrededor.

Ya hemos descripto la forma de determinar los campos magnéticos por superposición de

camps generados por elementos individuales de corriente. Podríamos suponer que la ley de

Gauss sea una alternativa útil para calcular para calcular estos campos como lo fuera en

electrostática, pero no es así. En el caso de campos magnéticos la integral de superficie del

flujo magnético a través de una superficie cerrada es igual a cero, ya que no hay cargas

magnéticas aisladas.

Debemos buscar otro método que ayude a calcular los campos magnéticos como lo hace

la ley de Gauss en electrostática. La Ley de Ampere es la alternativa buscada que relaciona la

integral de línea alrededor de cualquier trayectoria cerrada, con la corriente total que fluye a

través del área subtendida por la trayectoria de integración.

La ley de Ampere tiene semejanza con la ley de Gauss ya que sigue más o menos los

mismos lineamientos, sin embargo la ley de Ampere implica una integración de elementos de

línea alrededor de una curva cerrada, mientras que la ley de Gauss comprende la integración

de elementos de área sobre una superficie cerrada.

Consideremos el caso de un conductor largo y recto normal a la página y dirigido hacia

afuera de la misma por donde fluye una corriente I.

Por simplicidad elegiremos el

eje z de coordenadas de manera que

la corriente coincida con él.

Tomemos una curva arbitraria

C que se encuentra en el plano xy y

que rodea al conductor.

Vamos a evaluar la integral

sobre todos los elementos que

constituyen la curva C. por definición

del producto escalar sabemos que

Donde es el ángulo

comprendido entre los dos vectores.

Pero de la figura vemos que