Por S. Hussain Ather • Actualizado el 30 de agosto de 2022
Los imanes a veces se empujan entre sí y otras veces se juntan. Comprender la física sutil que gobierna este comportamiento es esencial para todo, desde motores eléctricos hasta dispositivos de imágenes médicas.
Al igual que las cargas eléctricas, los polos magnéticos son de dos tipos:norte (N) y sur (S). Un polo norte siempre atrae a un polo sur, mientras que dos polos norte o dos polos sur se repelen. Esta sencilla regla subyace al funcionamiento de brújulas, cojinetes magnéticos y muchas aplicaciones industriales.
Cuando las partículas cargadas se mueven, generan campos magnéticos que ejercen fuerzas sobre otras cargas en movimiento. La ley de Biot-Savart cuantifica esta interacción:
F = \frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2} \; v_1 \times (v_2 \times r)
Aquí, μ₀ =12,57×10⁻⁷H/m es la permeabilidad al vacío, q₁ y q₂ son los cargos, v₁ y v₂ sus velocidades, y r el vector de separación. El producto cruzado indica que la fuerza depende de las direcciones relativas de movimiento y separación.
A diferencia de las fuerzas eléctricas, las fuerzas magnéticas sólo actúan sobre cargas en movimiento y nunca sobre monopolos magnéticos estáticos (partículas que poseerían un solo polo magnético). Aún no se ha encontrado evidencia experimental de tales monopolos.
El signo del producto vectorial determina si dos cargas en movimiento se atraen o se repelen. Si los vectores de fuerza resultantes apuntan uno hacia el otro, las cargas se atraen; si apuntan hacia otro lado, las cargas se repelen. El mismo principio se aplica a los imanes macroscópicos:la orientación de sus momentos magnéticos dicta si empujan o tiran.
La corriente en un cable produce un campo magnético que se puede visualizar con la regla de la mano derecha. Apunte con el pulgar en la dirección de la corriente convencional; tus dedos curvados muestran la dirección del campo. Dos cables paralelos que transportan corrientes en la misma dirección se atraen, mientras que las corrientes en direcciones opuestas se repelen, un efecto que se aprovecha en los electroimanes y la levitación magnética.
La ley de fuerzas de Lorentz extiende esta idea a las partículas cargadas que se mueven a través de campos externos:
F = qE + qv \times B
donde E es el campo eléctrico, B el campo magnético, y v la velocidad de la partícula. El producto cruz nuevamente determina la dirección del componente magnético.
Cada imán se comporta como un pequeño dipolo con un momento magnético m . Cuando se coloca en un campo externo B , experimenta un par:
τ = m \times B = |m||B|\sin\theta
Ese par alinea el dipolo con el campo, como se ve en la aguja de una brújula que apunta hacia el norte geográfico. La energía potencial de un dipolo en un campo es U = -m\cdot B = -|m||B|\cos\theta , alcanzando un mínimo cuando el dipolo se alinea con el campo.
Los átomos con electrones no apareados (paramagnetos) son atraídos por los campos magnéticos, mientras que los átomos con todos los electrones apareados (diamagnéticos) son repelidos. El gas oxígeno (O₂) es paramagnético, mientras que el gas nitrógeno (N₂) es diamagnético. El comportamiento se debe a la interacción de los dipolos magnéticos atómicos con campos externos.
Cuando se mueve un potente imán de neodimio a lo largo de un destornillador de acero, el destornillador queda temporalmente magnetizado. Al retirar el imán queda un magnetismo residual:una ilustración del mundo real de la inducción magnética y la fuerza de atracción entre dipolos alineados.
Comprender estos principios prepara a los ingenieros y científicos para diseñar motores más eficientes, cojinetes magnéticos seguros y sistemas avanzados de imágenes médicas.
