Campos Magnéticos e Inducción

Unidad 3: Campos Magnéticos e Inducción

  • Magnetismo: Fenómeno físico donde los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Se basa en la interacción de cargas eléctricas en movimiento.
  • Magnetita: Mineral que actúa como el único imán natural conocido. Todos los materiales son influenciados por campos magnéticos.

1. Campos Magnéticos

  • Tipos de Fuerzas:
    • Fuerzas Eléctricas: Actúan sobre cargas eléctricas, en reposo o en movimiento.
    • Fuerzas Magnéticas: Solo actúan sobre cargas en movimiento.
  • Hans Christian Oersted (1820): Descubrió relación entre fenómenos eléctricos y magnéticos; observó que una brújula se orientaba cuando había corriente eléctrica en un conductor cercano.

2. Propiedades de los Imanes

  • Imanes Permanentes: Ejercen fuerza magnética entre sí y en objetos ferromagnéticos.
  • Tienen dos polos:
    • Polo Norte (N)
    • Polo Sur (S)
  • Propiedades de los Polos:
    • Polos iguales se repelen (N-N, S-S)
    • Polos opuestos se atraen (N-S)

3. Campo Magnético

  • Campo Magnético $B$: Rodea cualquier carga eléctrica en movimiento y cualquier sustancia magnética.
  • La dirección del campo magnético es hacia donde apunta una brújula colocada en esa posición.
  • Líneas de Campo: Salen del polo norte y entran al polo sur de un imán.

4. Fuerzas Magnéticas sobre Cargas en Movimiento

  • Fórmica de la Fuerza Magnética:
    ilde{F} = q ilde{v} imes B
  • Fuerza Magnética:
    • Proporcional a la magnitud de la carga $q$ y a la velocidad $ ilde{v}$.
    • Perpendicular a $B$ y $ ilde{v}$.
    • Cargas en reposo no experimentan fuerza magnética.

5. Comparación entre Fuerzas Eléctricas y Magnéticas

  1. Dirección:
    • Fuerza eléctrica $E$ a lo largo del campo eléctrico.
    • Fuerza magnética $B$ actúa perpendicularmente.
  2. Movimiento:
    • Fuerza eléctrica actúa independientemente del movimiento.
    • Fuerza magnética actúa solo en movimiento.
  3. Trabajo:
    • Fuerza eléctrica realiza trabajo.
    • Fuerza magnética no realiza trabajo dado que su dirección es perpendicular al desplazamiento.

6. Ejemplos de Cálculos de Fuerza Magnética

  • Ejemplo 1:

    • Condiciones: Electrón con $v = 8 imes 10^6 m/s$, $B = 0.025 T$, ángulo $=60°$.
    • Cálculo:
      F = q v B ext{ sen } heta = (1.6 imes 10^{-19} C) (8 imes 10^6 m/s) (0.025 T) ext{ sen }(60°)
      ightarrow F = 2.77 imes 10^{-14} N

  • Ejemplo 2: Proton en $v = 3 imes 10^5 m/s$, $B = 2 T$, ángulo $=30°$.
    F = q v B ext{ sen } heta = (1.6 imes 10^{-19} C)(3 imes 10^5 m/s)(2 T) ext{ sen }(30°)
    ightarrow F = 4.8 imes 10^{-14} N

7. Fuerzas sobre Conductores de Corriente

  • Fuerza sobre un cable con corriente: ilde{F} = I ilde{L} imes B
    • $I$: Corriente en amperios (A).
    • $L$: Longitud del conductor.
    • $ heta$: ángulo entre la corriente y el campo magnético.
  • Ejemplo:
    • Un alambre de longitud $1m$, $I = 50A$, $B = 1.2T$, $ heta = 45°$.
      F = I L B ext{ sen } heta = 50 A imes 1m imes 1.2T imes ext{ sen }(45°)
      ightarrow F = 42.43 N

8. Movimiento de Partículas en Campos Magnéticos

  • Partículas cargadas en movimiento en campos magnéticos:
    • Si la velocidad es perpendicular a $B$, la trayectoria será circular.
    • La fuerza magnética actúa hacia el centro del círculo.

9. Motores Eléctricos de Corriente Directa (CD)

  • Componentes:
    • Rotor: Parte móvil que gira; parte de un conductor en forma de espira.
    • Conmutador: Segmentos de alambre conectados al rotor.
    • Escobillas: Contactos eléctricos del circuito externo con la fuente de fuerza electromotriz (fem).
  • Función: Convierte energía eléctrica en energía mecánica mediante el par de torsión magnético.

Observaciones Finales

  • Recordar que la dirección de la fuerza magnética sobre una carga negativa se invierte según la regla de la mano derecha.