Los campos están a nuestro alrededor. Ya sea el campo gravitacional causado por la masa de la Tierra o los campos eléctricos creados por partículas cargadas como los electrones, hay campos invisibles en todas partes, que representan potenciales y fuerzas invisibles capaces de mover objetos con características apropiadas.

Por ejemplo, un campo eléctrico en un área significa que un objeto cargado puede desviarse de su camino original cuando ingresa a la región, y el campo gravitacional debido a la masa de la Tierra lo mantiene firmemente en la superficie de la Tierra a menos que haga algún trabajo para superar su influencia.

Los campos magnéticos son la causa de las fuerzas magnéticas, y los objetos que ejercen fuerzas magnéticas sobre otros objetos lo hacen creando un campo magnético. Los campos magnéticos se pueden detectar mediante la desviación de las agujas de la brújula que se alinean con las líneas de campo (el norte magnético de la aguja apuntando hacia el sur magnético). Si está estudiando electricidad y magnetismo, aprender más sobre los campos magnéticos y la fuerza magnética es un paso crucial en su viaje.
¿Qué es un campo magnético?

En física en general, los campos son vectores con valores en cada región del espacio que le indican cuán fuerte o débil es un efecto en ese punto y la dirección del efecto. Por ejemplo, un objeto con masa, como el sol, crea un campo gravitacional, y otros objetos con masa que ingresan a ese campo se ven afectados por una fuerza como resultado. Así es como la atracción gravitacional del sol mantiene la Tierra en órbita a su alrededor.

Más lejos en el sistema solar, como en el rango de la órbita de Urano, se aplica la misma fuerza, pero la fuerza es mucho inferior. Siempre se dirige directamente al sol; Si imagina una colección de flechas que rodean el sol, todas apuntando hacia él pero con longitudes más largas a distancias cortas (fuerza más fuerte) y longitudes más pequeñas a largas distancias (fuerza más débil), básicamente se ha imaginado el campo gravitacional en el sistema solar.

De la misma manera, los objetos con carga crean campos eléctricos, y las cargas en movimiento generan campos magnéticos
, que pueden generar una fuerza magnética en un objeto cargado cercano u otros materiales magnéticos. .

Estos campos son un poco más complicados en términos de forma que los campos gravitacionales, ya que tienen líneas de campo magnético que emergen del polo positivo (o polo norte) y terminan en el polo negativo (o polo sur). , pero cumplen el mismo rol básico. Son como líneas de fuerza, que le indican cómo se comportará un objeto colocado en una ubicación. Puede visualizar esto claramente usando limaduras de hierro, que se alinearán con el campo magnético externo.

Los campos magnéticos son siempre campos dipolares, por lo que no hay monopolos magnéticos. En general, los campos magnéticos se representan con la letra B
, pero si un campo magnético pasa a través de un material magnético, puede polarizarse y generar su propio campo magnético. Este segundo campo contribuye al primer campo, y la combinación de los dos se menciona con la letra H
, donde H \u003d B /μ _{m, y μ m \u003d K m μ 0, con μ 0 \u003d 4π × 10 ^{- 7 H /m (es decir, la permeabilidad magnética del espacio libre) y K m es la permeabilidad relativa de el material en cuestión.}}

La cantidad de campo magnético que pasa a través de un área determinada se llama flujo magnético. La densidad de flujo magnético está relacionada con la intensidad de campo local. Dado que los campos magnéticos son siempre dipolares, el flujo magnético neto a través de una superficie cerrada es 0. (Cualquier línea de campo que salga de la superficie, necesariamente ingresa nuevamente, cancelando.)
Unidades y Medición

La unidad SI de la fuerza del campo magnético es el tesla (T), donde:

1 tesla \u003d 1 T \u003d 1 kg /A s ^{2 \u003d 1 V s /m 2 \u003d 1 N /A m}

Otra unidad ampliamente utilizada para la fuerza del campo magnético es el gauss (G), donde:

1 gauss \u003d 1 G \u003d 10 ^{- 4 T}

El tesla es una unidad bastante grande, por lo que, en muchas situaciones prácticas, el gauss es una opción más útil; por ejemplo, un imán de refrigerador tendrá una fuerza de aproximadamente 100 G, mientras que el campo magnético de la Tierra en la superficie de la Tierra se trata de 0.5 G.
Causas de los campos magnéticos

La electricidad y el magnetismo están fundamentalmente entrelazados porque los campos magnéticos se generan al mover la carga (como las corrientes eléctricas) o al cambiar los campos eléctricos, mientras que un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico.

En un imán de barra o un objeto magnético similar, el campo magnético resulta de varios "dominios" magnéticos que se alinean, que a su vez son creados por el movimiento de los electrones cargados alrededor de los núcleos de sus átomos. Estos movimientos producen pequeños campos magnéticos dentro de un dominio. En la mayoría de los materiales, los dominios tendrán una alineación aleatoria y se cancelarán entre sí, pero en algunos materiales, los campos magnéticos en los dominios vecinos se alinean, y esto produce magnetismo a mayor escala.

El campo magnético de la Tierra también se genera moviendo la carga, pero en este caso, es el movimiento de la capa fundida que rodea el núcleo de la Tierra lo que crea el campo magnético. Esto se explica por la teoría de la dinamo
, que describe cómo un fluido giratorio cargado eléctricamente genera un campo magnético. El núcleo externo de la Tierra contiene hierro líquido en constante movimiento, con electrones viajando a través del líquido y generando el campo magnético.

El sol también tiene un campo magnético, y la explicación de cómo funciona esto es muy similar. Sin embargo, las velocidades de rotación variables de diferentes partes del sol (es decir, el material similar al fluido en diferentes latitudes) conduce a que las líneas de campo se enreden con el tiempo, así como a muchos fenómenos asociados con el sol, como las erupciones solares y las manchas solares. y el ciclo solar de aproximadamente 11 años. El sol tiene dos polos, como un imán de barra, pero los movimientos del plasma del sol y el aumento gradual de la actividad solar hacen que los polos magnéticos se muevan cada 11 años.
Fórmulas de campo magnético

Los campos magnéticos debido a los diferentes arreglos de carga móvil, se deben derivar individualmente, pero hay muchas fórmulas estándar que puede usar para no tener que "reinventar la rueda" cada vez. Puede derivar fórmulas para básicamente cualquier disposición de carga móvil utilizando la ley de Biot-Savart o la ley de Ampere-Maxwell. Sin embargo, las fórmulas resultantes para arreglos simples de corriente eléctrica son tan comúnmente utilizadas y citadas que simplemente puede tratarlas como "fórmulas estándar" en lugar de derivarlas de la ley de Biot-Savart o Ampere-Maxwell cada vez.

El campo magnético de una corriente de línea recta se determina a partir de la ley de Ampere (una forma más simple de la ley de Ampere-Maxwell) como:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r}

Donde μ
_{0 es como se definió anteriormente, I
es la corriente en amperios y r
es la distancia desde el cable que está midiendo el campo magnético.}

El campo magnético en el centro de un bucle de corriente viene dado por:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 R}

Donde R
es el radio del bucle , y los otros símbolos son como se definieron anteriormente.

Finalmente, el campo magnético de un solenoide viene dado por:
B \u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I

Donde N
es el número de vueltas y L
es la longitud del solenoide. El campo magnético de un solenoide se concentra en gran medida en el centro de la bobina. Cálculos de ejemplo

Aprender a usar estas ecuaciones (y otras como ellas) es lo principal que tendrá que hacer al calcular un campo magnético o la fuerza magnética resultante, por lo que un ejemplo de cada uno lo ayudará a abordar el tipo de problemas que probablemente encuentre.

Para un cable largo y recto que lleva una corriente de 5 amperios, (es decir, I \u003d 5 A), ¿cuál es la intensidad del campo magnético a 0.5 m del cable?

Usando la primera ecuación con I \u003d 5 A yr \u003d 0.5 m da:
\\ begin {alineado} B &\u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r} \\\\ &\u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 5 \\ text {A}} {2π × 0.5 \\ text { m}} \\\\ &\u003d 2 × 10 ^ {- 6} \\ text {T} \\ end {alineado}

Ahora, para un bucle de corriente que lleva I \u003d 10 A y con un radio de r \u003d 0.2 m, ¿cuál es El campo magnético en el centro del bucle? La segunda ecuación da:
\\ begin {alineado} B &\u003d \\ frac {μ_0 I} {2R} \\\\ &\u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 10 \\ texto {A}} {2 × 0.2 \\ text {m}} \\\\ &\u003d 3.14 × 10 ^ {- 5} \\ text {T} \\ end {alineado}

Finalmente, para un solenoide con N \u003d 15 vueltas en una longitud de L \u003d 0.1 m, con una corriente de 4 A, ¿cuál es la intensidad del campo magnético en el centro?

La tercera ecuación da:
\\ begin {alineado} B &\u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I \\\\ &\u003d 4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × \\ frac {15 \\ text {turn}} {0.1 \\ text {m}} × 4 \\ text {A} \\\\ &\u003d 7.54 × 10 ^ {- 4} \\ text {T} \\ end {alineado}

Otros cálculos de campos magnéticos de ejemplo podrían funcionar de manera un poco diferente, por ejemplo, indicando el campo en el centro de un solenoide y la corriente, pero pidiendo la relación N /L, pero mientras esté familiarizado con las ecuaciones, no tendrá problemas para responderlas.