CAMPO MAGNETICO EN LA TIERRA

MAGNETISMO

El magnetismo es un fenómeno físico caracterizado por el hecho de que, los cuerpos que poseen esta propiedad, ejercen fuerzas de atracción y repulsión sobre otros objetos. Determinados materiales poseen características magnéticas y se conocen por tanto como imanes o magnetos. Todo imán tiene dos polos: el polo norte y el polo sur (dipolo magnético). Seguramente, usted conoce las siguientes formas de imanes: Ambos polos atraen objetos que, por lo menos parcialmente, están constituidos por materiales ferromagnéticos.

Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.La Tierra misma es un imán. Su polo norte geográfico está cerca del polo sur magnético, lo cual es la razón por la que el polo norte de la aguja de una brújula señala al norte terrestre. El eje magnético de nuestro planeta no es del todo paralelo a su eje geográfico (el eje de rotación), así que la lectura de una brújula se desvía un poco del norte geográfico. Tal desviación, que varía con la ubicación, se llama declinación magnética o variación magnética. Asimismo, el campo magnético no es horizontal en la mayoría de los puntos de la superficie terrestre; su ángulo hacia arriba o hacia abajo se denomina inclinación magnética. En los polos magnéticos, el campo magnético es vertical. La figura 27.3 es un esquema del campo magnético terrestre. Las líneas, llamadas líneas de campo magnético, muestran la dirección que señalaría una brújula que estuviera en cada sitio; en la sección 27.3 se analizan con detalle. La dirección del campo en cualquier punto se define como la dirección de la fuerza que el campo ejercería sobre un polo un polo norte magnético.

El Efecto Dinamo

La simple pregunta "¿cómo obtiene la Tierra su campo magnético?" no tiene una respuesta simple. Parece claro que la generación del campo magnético está relacionada con la rotación de la Tierra, ya que Venus con una similar composición de núcleo de hierro, pero con un período de rotación de 243 días terrestres, no tiene un campo magnético que pueda medirse. Ciertamente, parece plausible que depende de la rotación del hierro metálico líquido que compone una gran parte del interior de ambos planetas. El modelo del conductor giratorio nos lleva al "efecto dinamo" o "geo dinamo", evocando la imagen de un generador eléctrico.La convección mueve el fluido del núcleo exterior y lo hace circular con relación a la Tierra. Esto significa que un material conductor de electricidad se está moviendo con respecto al campo magnético de la Tierra. Si por alguna interacción como por ejemplo la fricción entre placas, se obtiene una carga eléctrica, entonces se produce un bucle de corriente efectiva. El campo magnético de un bucle de corriente, podría sostener el campo magnético de la Tierra, de tipo de dipolo magnético. Las modelaciones a gran escala en ordenadores, están consiguiendo una simulación realista de tal tipo de geodinamo.

Qué pasaría   si no existiera el campo magnético?

Hoy en día el magnetismo terrestre es muy importante , la tecnología funciona a base de ella para orientarnos  en al caso que no existiera no funcionarían las brújulas, con lo que no podríamos orientarnos con facilidad barios GPS quedarían inservibles ya que utilizan la brújula para orientarse no abrían vuelos ni viajes en barco ya que dependen fundamentalmente de la orientación para llegar a su destino , abría total ausencia de magnetósfera conllevaría una pérdida   de protección frente a los rayos cósmicos y las emisiones del Sol abría mayor adición solar, el campo magnético terrestre actúa como pantalla frente a las partículas ionizadas procedentes del sol, en consecuencia éstas partículas llegarían a la superficie terrestre provocando un aumento enorme del cáncer y de las anomalías genéticas de los seres vivos que vivimos sobre ella, esto acabaría con gran cantidad de especies de la tierra.

inversión del campo magnético  

La magnetosfera puede invertir su orientación, llegando a que las líneas  de campo que señalaban hacia el polo norte pueden cambiar, y apuntar hacia el polo sur. De tal manera que el polo sur se convierte en el polo norte etc. En la Tierra, el registro de las inversiones del campo magnético queda preservado en las rocas magnéticas que yacen en el fondo del suelo marino. Primero, el magnetismo preservado es estas rocas apunta hacia una dirección y, luego, en dirección opuesta, lo cual da al suelo del océano una apariencia de franjas (desde el punto de vista magnético). Esto significa que muchas veces, en el pasado, el polo norte ha pasado a ser el polo sur y viceversa. Debido a que nadie sabe cuánto tiempo puede tardar este proceso, ¡tampoco se sabe si esto podría suceder de un día a otro, o si tardará cientos de año. Esta fotografía  muestra en donde se

encuentran los polos actualmente, así mismo muestra cómo a lo largo del tiempo, los polos derivan sobre la superficie de la Tierra. Aunque son rápidos en tiempos geológicos, las inversiones son lentas en tiempo a escala humana. Duran apenas 5.000 años, con un rango estimado de entre 1.000 y 8.000 años.

L a importancia del campo magnético terrestre para todos los seres vivos

La tierra tiene un campo magnético natural, a cual todos los organismos están expuestos. Sin este campo magnético terrestre la vida no podría existir en la tierra.Muchas especies animales han desarrollado un "sentido magnético de dirección". Estas criaturas pueden determinar la densidad y la dirección de las líneas de la ubicación geográfica. Para explorar este sentido de la orientación los biólogos de los animales se ocupan intensamente con el sentido de las palomas mensajeras. Ellos descubrían que palomas mensajeras vuelan según un rumbo de brújula de imán si una orientación no es posible tras el sol y las estrellas.En la botánica también se detectó un efecto de los campos magnéticos en los procesos fisiológicos de la plantas. En un campo magnético que fue 4.000 veces más fuerte que el campo geomagnético natural, las plantas crecieron más rápido que en un ambiente normal.Cuando después de los primeros vuelos al espacio, los astronautas tuvieron serios problemas de salud, se habló del "mal del espacio" que fue causado por la falta del campo geomagnético natural. Desde entonces, la NASA incluye generadores de campo magnético para generar un campo magnético artificial en las cápsulas espaciales, no hubo problemas de salud nunca más.

Campo magnético

Para introducir el concepto de campo magnético de manera adecuada repasaremos nuestra formulación de las interacciones eléctricas del capítulo 21, donde introdujimos el concepto de campo eléctrico. Representamos las interacciones eléctricas en dos etapas:

Una distribución de carga eléctrica en reposo crea un campo eléctrico en E el espacio circundante.

El campo eléctrico ejerce una fuerza F=qE sobre cualquier otra carga q que esté presente en el campo.

Describimos las interacciones magnéticas de manera similar:

Una carga o corriente móvil crea un campo magnético en el espacio circundante (además de su campo eléctrico).

El campo magnético ejerce una fuerza F sobre cualquier otra carga o corriente en movimiento presente en el campo.

Al igual que el campo eléctrico, el magnético es un campo vectorial —es decir, una cantidad vectorial asociada con cada punto del espacio. Usaremos el símbolo B para representar el campo magnético. En cualquier posición, la dirección de B se define como aquella en la que tiende a apuntar el polo norte de la aguja de una brújula.

La fuerza magnética ejercida sobre una carga en movimiento

Tiene cuatro características esenciales. La primera es que su magnitud es proporcional a la magnitud de la carga. Los experimentos demuestran que, si en un campo magnético dado una carga de 1 uC y otra de 2 uC se mueven con la misma velocidad, la fuerza sobre la carga de 2 uC es del doble de magnitud que la que se ejerce sobre la carga de 1 uC. La segunda característica es que la magnitud de la fuerza también es proporcional a la magnitud, o “intensidad”, del campo; si duplicamos la magnitud del campo (por ejemplo, usando dos imanes de barra en vez de uno solo) sin cambiar la carga o su velocidad, la fuerza se duplicará.

La tercera característica es que la fuerza magnética depende de la velocidad de la partícula. Esto es muy diferente de lo que sucede con la fuerza del campo eléctrico, que es la misma sin que importe si la carga se mueve o no. Una partícula cargada en reposo no experimenta fuerza magnética. Y la cuarta característica es que los experimentos indican que la fuerza magnética F no tiene la misma dirección que el campo magnético B, sino que siempre es perpendicular tanto a como a la velocidad.La magnitud F de la fuerza es proporcional a la componente de perpendicular al Campo B; cuando esa componente es igual a cero (es decir, cuando y son paralelas o anti paralelas), la fuerza es igual a cero.

Regla de la mano derecha para la dirección de la fuerza magnética sobre una carga positiva que se mueve en un campo magnético:

a) Coloque los vectores v y B unidos en sus orígenes.

b) Imagine que gira v hacia B en el plano v-B (en el menor ángulo).

c) La fuerza actúa a lo largo de una línea perpendicular al plano v-B. Enrolle los dedos de su mano derecha en torno a esta línea en la misma dirección que giró a v. Ahora, su pulgar apunta en la dirección que actúa la fuerza.

Si la carga es negativa, la dirección dela fuerza es opuesta a la que da la regla

Flujo magnético y ley de Gauss del magnetismo Definimos el flujo magnético FB a través de una superficie al igual que

definimos el flujo eléctrico en relación con la ley de Gauss,. Se puede dividir cualquier superficie en elementos de área dA (figura 27.15). Para cada elemento se determina B', la componente de normal a la superficie en la posición de ese elemento, como se ilustra. De la figura, donde f es el ángulo entre la dirección de y una línea perpendicular a la superficie. (Hay

que tener cuidado de no confundir f con FB.) En general, esta componente varía de un punto a otro de la superficie.

Definimos el flujo magnético dFB a través de esta área como normal

El flujo magnético total a través de la superficie es la suma de las contribuciones desde los elementos de área individuales:

El flujo magnético es una cantidad escalar. En el caso especial en que es uniforme sobre la superficie de un plano con área total A, B' y f son los mismos en todos los puntos de la superficie, y

Si fuera perpendicular a la superficie, entonces cosf51 y la ecuación se reduce a FB 5 BA. Al estudiar la inducción electromagnética en el capítulo 29, usaremos mucho el concepto de flujo magnético.

Electromagnetismo

El experimento de Oersted:

Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflectaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo.Del experimento de Oersted se deduce que ;

Una carga en movimiento crea un campo magnético en el espacio que lo rodea. Una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor

un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia del conductor.

Campo magnético creado por un conductor rectilíneo: Una corriente rectilínea crea a su alrededor un campo magnético cuya intensidad se incrementa al aumentar la intensidad de la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la distancia con respecto al conductor.

En 1820 el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que entre el magnetismo y las cargas de la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación.

Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se encuentran en movimiento en esos momentos, originan la aparición de un campo magnético tal a su alrededor, que puede desviar la aguja de una brújula.

 

Campo magnético creado por una espira:

El campo magnético creado por una espira por la que circula corriente eléctrica aumenta al incrementar la intensidad de la corriente eléctrica

Campo magnético creado por un solenoide:

El campo magnético creado por un solenoide se incrementa al elevar la intensidad de la corriente, al aumentar el número de espiras y al introducir un trozo de hierro en el interior de la bobina (electroimán).

Bobina solenoide con núcleo de aire construida con alambre desnudo de cobre enrollado en forma de espiral y protegido con barniz aislante. Si a esta bobina le suministramos corriente eléctrica empleando cualquier fuente de fuerza electromotriz, como una batería, por ejemplo, el flujo de la corriente que circulará a través de la bobina propiciará la aparición de un campo magnético de cierta intensidad a su alrededor.

  Bobina solenoide a la que se

le ha introducido un núcleo metálico como el hierro (Fe). Si comparamos la bobina anterior con núcleo de aire con la bobina de  esta ilustración, veremos que ahora las líneas de fuerza magnética se encuentran mucho más intensificadas al haberse convertido en un electroimán.

 

Corrientes inducidas

En 1831, Michael Faraday observó que un imán generaba una corriente eléctrica en las proximidades de una bobina, siempre que el imán o la bobina estuvieran en movimiento. La explicación teórica fue:

Es necesario un campo magnético variable (imán, bobina o cable en movimiento) para crear una corriente eléctrica en el cable o en la bobina.

Esta corriente se conoce como corriente inducida, y el fenómeno, como inducción electromagnética. La corriente eléctrica inducida existe mientras dure la variación del campo magnético.

La intensidad de la corriente eléctrica es tanto mayor  cuanto más intenso sea el campo magnético y cuanto más rápido se muevan el imán o la bobina.

Condición para inducir una corriente eléctrica:

La corriente eléctrica inducida existe mientras dure esta variación, y su intensidad es tanto mayor cuanto más rápida sea dicha variación.Una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético, y un campo magnético variable inducido, a su vez, una corriente eléctrica en un circuito.El sentido de la corriente inducida (Ley de Lenz):

La corriente inducida tiende a oponerse a al causa que la produce.

El circuito de la figura consta de una barra conductora (1-2) que desliza sobre dos conductores rectilíneos. El circuito queda cerrado a través de una resistencia señalada como R y lo acciona un interruptor.

Se encuentra inmerso en un campo magnético B el cual es perpendicular al plano definido por el circuito y dirigido hacia el interior de su pantalla.

Si ponemos en movimiento la varilla con una velocidad v como se indica, en las cargas que existen en la varilla se producirán fuerzas (Lorentz).

Líneas de campo magnético y flujo magnético

Cualquier campo magnético se representa usando líneas de campo magnético, del mismo modo que hicimos para el campo magnético terrestre. La idea es la misma que para las líneas de campo eléctrico estudiadas Se dibujan las líneas de modo que la línea que pasa a través de cualquier punto sea tangente al vector del campo magnético en ese punto (Igual que hicimos con las líneas de campo eléctrico, tan sólo dibujamos unas cuantas líneas que sean representativas pues, de otra manera, ocuparían todo el espacio. Donde las líneas de campo adyacentes están cerca entre sí, la magnitud del campo es grande; donde tales líneas están separadas, la magnitud del campo es pequeña. Asimismo, debido a que la dirección de en cada punto es única, las líneas de campo nunca se cruzan.

El flujo del campo magnético se define de manera análoga al flujo del campo eléctrico.

Flujo del campo magnético El flujo del campo magnético Φm a través de una superficie se define:

donde dS es un vector perpendicular a la superficie en cada punto.

Como las líneas del campo magnético son cerradas (no existen monopolos), el flujo a través de cualquier superficie cerrada es nulo:

Por tanto, al contrario de lo que ocurría con la ley de Gauss, el flujo del campo magnético no puede emplearse para calcular campos magnéticos.

Ley de Ampere

En física del magnetismo, la ley de Ampere, modelada por André-Marie Ampere en 1831,1 relaciona un magnético estático con la causa que la produce, es decir, una corriente eléctrica estacionaria. James Clerk Maxwell la corrigió posteriormente y ahora es una de las ecuaciones de Maxwell, formando parte del electromagnetismo de la física clásica.La ley de Ampere explica, que la circulación de la intensidad del campo magnético en un contorno cerrado es igual a la corriente que recorre en ese contorno.El campo magnético es un campo angular con forma circular, cuyas líneas encierran la corriente. La dirección del campo en un punto es tangencial al círculo que encierra la corriente.El campo magnético disminuye inversamente con la distancia al conductor.La ley que nos permite calcular campos magnéticos a partir de las corrientes eléctricas es la Ley de Ampere. Fue descubierta por André - Marie Ampere en 1826 y se enuncia:

La integral del primer miembro es la circulación o integral de línea del campo magnético a lo largo de una trayectoria cerrada, y:

- μ0 es la permeabilidad del vacío- dl es un vector tangente a la trayectoria elegida en cada punto- IT es la corriente neta que atraviesa la superficie delimitada por la trayectoria, y

será positiva o negativa según el sentido con el que atraviese a la superficie. Campo magnético creado por un hilo infinito

Como aplicación de la ley de Ampere, a continuación se calcula el campo creado por un hilo infinito por el que circula una corriente I a una distancia r del mismo. Las líneas del campo magnético tendrán el sentido dado por la regla de la mano derecha para la expresión general del campo creado por una corriente, por lo que sus líneas de campo serán circunferencias centradas en el hilo, como se muestra en la parte izquierda de la siguiente figura.

Para aplicar la ley de Ampere se utiliza por tanto una circunferencia centrada en el hilo de radio r. Los vectores y dl son paralelos en todos los puntos de la misma, y el módulo del campo es el mismo en todos los puntos de la trayectoria. La integral de línea queda:

Empleando la ley de Ampere puede calcularse el campo creado por distintos tipos de corriente. Dos ejemplos clásicos son el del toroide circular y el del solenoide ideal (*), cuyos campos se muestran en la siguiente tabla.

Toroide circular Solenoide ideal*

(*)Un solenoide ideal es una bobina de longitud grande cuyas espiras están muy juntas. En la expresión del campo magnético que crea, n es el número de espiras por unidad de longitud.

EJERCICIOS CAMPO MAGNETICO

1. Una particula con carga q=0.001 coulombs y una velocidad v?10m/s entra horizontalmente de sur a norte, en una región del espacio y sufre una fuerza hacia el oeste de 0.1 newtonsDeterminar el campo magnético en dicha región

10 m/sv

B

0.1 NF

0.1 N N N

10 10C0.001C 10 m/s A mm

1s

0 Tesla

F

B

Bqv

B

2. Por un alambre muy largo circula una corriente eléctrica I=0.1 A¿Cuál es el campo magnético a 1cm de distancia?

3. Un anillo de 1 decimetro de radio lleva una correinte de 0.5 A Determina el campo magnético en el centro de la espira

700 2

72

6

6 2

N donde 4 10

2 AN

4 10 0.1 A NA0.01 m 2 102 0.01 m m A

N Ns Ns= = =T

m A m C m C

0.01 m 2 10 T = 2 10 G 0.02 G

IB r

r

B

B

centroB

I

centroB

I

0centro

72

6centro

6centro

2N

4 10 0.5 AA 10 T

2 0.1 m

3.14 10 T

IB

R

B

B