Imán, campo magnético y brújula
Un imán tiene dos extremos llamados polos: el polo norte (N) y el polo sur (S). Los polos iguales se repelen y los distintos se atraen. La zona alrededor de un imán donde se siente su atracción o repulsión es su campo magnético. Un campo tiene intensidad y dirección, así que es una magnitud vectorial.
Una brújula es simplemente un imán diminuto (la aguja) que puede girar libremente. Su extremo N señala la dirección del campo en ese lugar. Si no hay ningún imán ni corriente cerca, apunta hacia el norte geográfico de la Tierra, porque la Tierra misma se comporta como un imán enorme.
No podemos ver el campo, así que dibujamos las líneas de campo magnético: los caminos que seguiría un polo norte pequeño y libre. Si esparces limaduras de hierro sobre una cartulina junto a un imán y das golpecitos, las limaduras se alinean siguiendo esos caminos.
Propiedades de las líneas de campo magnético
- Dirección: fuera del imán van de N a S; dentro del imán vuelven de S a N.
- Lazos cerrados: por eso cada línea es una curva cerrada, sin principio ni final.
- Nunca se cruzan: si dos líneas se cruzaran, una brújula en ese punto tendría que apuntar en dos direcciones a la vez, y eso es imposible.
- La densidad indica la intensidad: donde las líneas están juntas el campo es fuerte (cerca de los polos); donde se separan el campo es débil.
- La tangente a una línea de campo en cualquier punto da la dirección del campo en ese punto.
Campo alrededor de un cable recto con corriente
En 1820 Hans Christian Oersted vio que la aguja de una brújula se movía cada vez que pasaba corriente por un cable cercano. Esto demostró que la corriente eléctrica produce un campo magnético: la electricidad y el magnetismo están unidos.
Alrededor de un cable largo y recto las líneas de campo son círculos concéntricos con centro en el cable, situados en planos perpendiculares a él.
Regla del pulgar de la mano derecha
Sujeta el cable con la mano derecha, con el pulgar apuntando en el sentido de la corriente. Los dedos curvados indican el sentido de las líneas de campo. Si inviertes la corriente, el campo también se invierte, y la brújula gira al lado contrario.
De qué depende la intensidad
El campo es más fuerte cuanto mayor es la corriente y más débil cuanto más te alejas del cable. Cerca del cable los círculos están apretados; lejos se separan. (La intensidad es directamente proporcional a la corriente e inversamente proporcional a la distancia.)
Campo de una espira circular (bobina)
Dobla el cable recto en forma de círculo. Cada trocito de la espira sigue creando círculos de campo a su alrededor. Cerca del cable parecen círculos pequeños; hacia el centro se hacen más grandes y, justo en el centro, las líneas de todas las partes de la espira van en el mismo sentido y parecen casi líneas rectas.
El campo en el centro aumenta si subes la corriente o el número de vueltas (n vueltas actúan como n veces una espira). Una espira más pequeña también da un campo más fuerte en su centro. Visto desde una cara, la corriente antihoraria hace de esa cara un polo norte y la corriente horaria la hace un polo sur.
Solenoide: una bobina que actúa como un imán de barra
Un solenoide es una bobina larga de muchas vueltas muy juntas de alambre de cobre aislado, con forma de cilindro. Cuando pasa corriente, su campo se ve igual que el de un imán de barra: un extremo se comporta como N y el otro como S.
Dentro de un solenoide largo las líneas de campo son rectas, paralelas y están igual de separadas. Esto significa que el campo es uniforme: tiene la misma intensidad y dirección en todos los puntos del interior. Para hallar el extremo N, curva los dedos de la mano derecha siguiendo la corriente en las vueltas; el pulgar señala el extremo N.
El campo se hace más fuerte con (1) más vueltas, (2) más corriente y (3) un núcleo de hierro dulce colocado dentro.
Electroimán frente a imán permanente
Si pones una barra de hierro dulce dentro de un solenoide y haces pasar corriente, la barra se convierte en un imán fuerte llamado electroimán. Al cortar la corriente pierde casi todo su magnetismo.
| Electroimán | Imán permanente |
|---|---|
| Es imán solo mientras pasa corriente | Se mantiene imantado siempre |
| Se puede cambiar su fuerza (corriente, vueltas) | Su fuerza es fija |
| Los polos se invierten al invertir la corriente | Los polos son fijos |
| Núcleo: hierro dulce | Hecho de acero, alnico, ferrita, neodimio |
| Puede ser muy fuerte | Suele ser más débil |
Usos de los electroimanes: grúas para chatarra de hierro, timbres eléctricos, relés, altavoces, motores, equipos de resonancia magnética y trenes de levitación magnética. Se usa acero en los imanes permanentes porque conserva su magnetismo; se usa hierro dulce en los electroimanes porque lo pierde rápido.
Qué se pregunta en el examen
Espera dibujos de líneas de campo (imán de barra, cable recto, espira, solenoide), la regla del pulgar de la mano derecha, el porqué de que las líneas de campo no se crucen, los factores que cambian la intensidad del campo y las diferencias entre un electroimán y un imán permanente. Suelen ser preguntas de 1 a 3 puntos; en los dibujos se dan puntos por las flechas que muestran el sentido, así que dibújalas siempre.
Fórmulas y definiciones clave
- Cable recto: intensidad del campo B ∝ I y B ∝ 1/r (r = distancia al cable)
- Espira circular (centro): B ∝ n I / r (n vueltas, radio r)
- Solenoide (interior): B ∝ n I por unidad de longitud; campo uniforme
- Unidad SI del campo magnético: tesla (T)
- Regla del pulgar de la mano derecha: pulgar = corriente, dedos curvados = campo
- Cara de la bobina: corriente antihoraria = cara N, horaria = cara S
Ejemplos resueltos
1. Se coloca una brújula justo al este de un cable vertical. La corriente sube por el cable. ¿Hacia dónde apunta el extremo N de la brújula? (Mira desde arriba.)
Usa la regla del pulgar de la mano derecha: pulgar hacia arriba, los dedos se curvan en sentido antihorario visto desde arriba. En el lado este, el movimiento antihorario va hacia el norte. Así que el extremo N de la aguja apunta al norte (aquí el campo del cable y el de la Tierra coinciden).
2. A 5 cm de un cable recto largo el campo vale cierto valor B. ¿Cuánto vale el campo a 10 cm si a la vez se duplica la corriente?
B ∝ I/r. Duplicar I duplica B, duplicar r reduce B a la mitad. Así que B no cambia: 2 × ½ = 1, el campo sigue siendo B.
3. Un estudiante mira una cara de una bobina y ve que la corriente circula en sentido horario. ¿Qué polo es esa cara? ¿Y si se invierte la corriente?
La corriente horaria hace que la cara sea un polo Sur. Al invertir la corriente pasa a ser antihoraria, así que la cara se convierte en un polo Norte.
4. Da dos formas de hacer más fuerte el campo magnético de un solenoide sin cambiar la longitud de la bobina.
Pasar más corriente, añadir más vueltas o poner un núcleo de hierro dulce dentro. Sirven dos cualesquiera de estas.
5. ¿Por qué un solenoide largo crea un campo uniforme en su interior y una bobina de una sola vuelta no?
En un solenoide largo los campos de muchas vueltas se suman uno junto a otro. Dentro, las partes que curvarían las líneas se anulan, y las líneas quedan rectas, paralelas e igual de separadas. Una sola espira solo es recta cerca de su centro y en el resto se curva.
Errores comunes
- Dibujar líneas de campo que se cruzan o que empiezan y terminan en el aire. Siempre son lazos cerrados que no se cruzan.
- Usar la mano izquierda en la regla del pulgar. La regla para el sentido del campo de un cable es la del pulgar de la mano DERECHA (la regla de la mano IZQUIERDA de Fleming es para la fuerza sobre un cable, en la próxima lección).
- Decir que dentro de un imán de barra las líneas van de N a S. Dentro van de S a N; solo fuera van de N a S.
- Pensar que un núcleo de hierro dulce crea un imán permanente. El hierro dulce pierde el magnetismo cuando cesa la corriente; el acero lo conserva.