FÍSICA

Fuerza de Lorentz

Se produjo un gran salto en los estudios eléctricos y magnéticos cuando se comprendió que al enrollar un hilo conductor en forma de espiras o solenoides se intensificaban enormemente los campos magnéticos asociados a la corriente eléctrica. Tal es el principio de los electroimanes y de los generadores eléctricos modernos.

Segunda ley de Ampère

Cuando se crea un campo magnético por el paso de una corriente eléctrica por un conductor, se cumple que el trabajo que realiza el campo en cualquier camino cerrado es proporcional a la intensidad de corriente que abarca dicho camino. Este principio se conoce como teorema de Ampère o segunda ley de Ampère, y se expresa matemáticamente como:

Una consecuencia importante que se desprende de este teorema es que el flujo del campo magnético a través de una superficie cerrada arbitraria es siempre cero, ya que las líneas del campo magnético son cerradas.

Intensidad magnética en un campo cerrado y orientado.

Solenoides

Un dispositivo capaz de generar campos magnéticos intensos a partir de corrientes eléctricas limitadas es un solenoide, formado por una sucesión de espiras de hilo conductor enrolladas en forma helicoidal por las que circula corriente.

Los solenoides se caracterizan porque:

  • Entre dos espiras consecutivas, el campo magnético se anula, ya que la corriente circula en sentido contrario por cada una de ellas.
  • En el centro del solenoide se acumulan los campos magnéticos engendrados por cada espira, por lo que la densidad de flujo magnético es máxima.

El campo magnético en el centro de un solenoide tiene la siguiente magnitud:

siendo KM una constante de proporcionalidad, I la intensidad de corriente y n el número de espiras del solenoide. Por tanto, cuanto mayor es el número de espiras, más intenso es el campo.

Campo que produce un solenoide, nulo entre cada dos espiras y máximo en el centro.

El campo magnético que genera un solenoide tiene propiedades muy semejantes al de un imán de barra.

Movimiento de una carga en un campo magnético

En el interior de un campo magnético, las cargas eléctricas experimentan una fuerza, llamada de Lorentz (ver t38), que induce en ellas una aceleración definida como:

siendo q la carga, m la masa, la velocidad y la magnitud del campo.

Espectrógrafo de masas

Una aplicación del movimiento de cargas eléctricas en el seno de un campo magnético es el espectrógrafo de masas.

Este dispositivo consta de un haz de isótopos ionizados (con carga eléctrica positiva) y de un generador de campo magnético constante , que modifica su trayectoria. Como su velocidad es perpendicular al campo, las partículas describen una trayectoria circular de radio:

Cada isótopo del átomo posee distinta masa, con lo que el radio de su trayectoria circular es también diferente.

Así, el espectrógrafo de masas permite separar los diferentes isótopos de un mismo elemento, que no se podrían diferenciar por métodos químicos convencionales.

Momento magnético

Cuando en vez de una carga puntual se considera una corriente eléctrica que fluye por un circuito cerrado, la influencia de un campo magnético se manifiesta en:

  • Una fuerza magnética global nula, ya que las fuerzas ejercidas sobre distintos elementos de corriente se compensan unas a otras.
  • Un momento de giro neto, que provoca la rotación del circuito según la orientación del campo magnético.

El momento de giro inducido por el campo en el circuito se expresa como:

siendo la magnitud del campo y el momento magnético del circuito, que es un vector con la dirección y el sentido del campo generado por el circuito y cuyo módulo vale m = A · I, siendo A el área que comprende el circuito e I la intensidad de corriente.

Electroimanes

El timbre eléctrico es una de las aplicaciones más sencillas de los electroimanes.

Si se introduce una barra de hierro dulce en el eje central de simetría de un solenoide, se incrementa significativamente la intensidad del campo magnético generado por la corriente. Este dispositivo, que se conoce por electroimán, tiene numerosas aplicaciones en generadores y motores de corriente eléctrica, así como otros muchos dispositivos.