01. Conceptos y principios
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Cargos por mudanza
Todas las partículas cargadas crean campos eléctricos, y estos campos pueden ser detectados por otras partículas cargadas que resultan en fuerza eléctrica. Sin embargo, se crea un campo completamente diferente, tanto cualitativa como cuantitativamente, cuando las partículas cargadas se mueven. Este es el campo magnético. Todas las partículas cargadas en movimiento crean campos magnéticos, y todas las partículas cargadas en movimiento pueden detectar campos magnéticos que resultan en fuerza magnética. Esto se suma al campo eléctrico que siempre está presente rodeando a las partículas cargadas.
Esto debería parecerte bastante extraño. Cada vez que una partícula cargada comienza a moverse, surge un campo completamente nuevo (distribuyendo tarjetas de visita por todo el universo). Otras partículas cargadas, si están en reposo con relación a este nuevo campo, no notan este nuevo campo y no sienten una fuerza magnética. Sólo si se mueven en relación con este nuevo campo podrán sentir su existencia y sentir una fuerza magnética. Es como si solo mientras estuvieran en movimiento pudieran leer las tarjetas de presentación distribuidas por el cargo de mudanza original, ¡y solo mientras están en movimiento el cargo original distribuye estas tarjetas de presentación en primer lugar! ¿Suena extraño todavía?
Por qué existe el campo magnético, y su relación con el campo eléctrico y el movimiento relativo se explorará más adelante en el curso. Por ahora, nos concentraremos en aprender a calcular el valor del campo magnético en diversos puntos que rodean las cargas móviles. En el siguiente capítulo, aprenderemos a calcular el valor de la fuerza magnética que actúa sobre otras cargas que se mueven con relación a un campo magnético.
Imanes Permanentes
Afirmé anteriormente que el campo magnético sólo existe cuando las cargas de fuente que lo crean se mueven. Pero, ¿qué pasa con los imanes permanentes, como los que llevan tus tareas de física favoritas en tu refrigerador? ¿Dónde están las cargas de movimiento en esos imanes?
La respuesta más simple es que los electrones en “órbita” en cada uno de los átomos del material crean campos magnéticos. En la mayoría de los materiales, estos campos magnéticos microscópicos están orientados en direcciones aleatorias y, por lo tanto, se cancelan cuando se suman sobre todos los átomos del material. En algunos materiales, sin embargo, estos campos magnéticos microscópicos (lo suficientemente grandes como para interactuar con los campos magnéticos microscópicos presentes en la puerta de su refrigerador). A pesar de que se trata de una simplificación burda de lo que realmente ocurre, por ahora es lo suficientemente buena.
Las propiedades magnéticas de los materiales reales son extremadamente complicadas. Además de la contribución orbital al campo magnético, los electrones y protones individuales tienen un campo magnético intrínseco asociado a ellos debido a una propiedad llamada espín. Además, incluso los neutrones, sin carga eléctrica neta, tienen un campo magnético intrínseco que los rodea. Para conocer más sobre las bases microscópicas del magnetismo, considere convertirse en un estudiante de física...
Corriente Eléctrica
Las cargas eléctricas en movimiento forman una corriente eléctrica. Consideraremos que la fuente de todos los campos magnéticos es la corriente eléctrica, ya sea que esa corriente sea macroscópica y fluya a través de un cable o si es microscópica y fluye “en órbita” alrededor de un núcleo atómico.
La fuente más simple de campo magnético es la corriente eléctrica que fluye a través de un cable largo y recto. En este caso, el campo magnético en un punto particular del espacio viene dado por la relación,
pic
donde
- m 0 es la permeabilidad del espacio libre, una constante igual a 1.26 x 10 -6 Tm/A.
- i es la corriente fuente, la corriente eléctrica que crea el campo magnético, y se mide en amperios (A). Un amperio es igual a un culombo de carga que fluye a través del cable por segundo. (Siempre entraremos en la corriente como un valor positivo en esta relación. La definición de (t hat) a continuación se utilizará para especificar la dirección correcta del campo).
- r es la distancia entre la corriente de origen y el punto de interés.
- (t hat) es el vector unitario que es tangente a un círculo centrado en la corriente de origen, y ubicado en el punto de interés. Para determinar el sentido de (t hat), coloque su pulgar en la dirección del flujo de corriente. El sentido en el que se rizan los dedos de tu mano derecha es el sentido de (t hat). (Por ejemplo, para la corriente que fluye fuera de la página, (t hat) es en sentido contrario a las agujas del reloj).
Si la fuente del campo magnético es más complicada que los cables largos y rectos portadores de corriente, entonces se necesita una relación más general. El campo magnético en un punto particular del espacio, a partir de cualquier distribución de corriente, viene dado por la relación,
pic
donde
- (pic) es una porción infinitesimalmente pequeña de alambre portador de corriente.
- (r hat) es el vector unitario que apunta desde la pequeña porción del cable portador de corriente hasta el punto de interés.
- La integral se encuentra en toda la longitud del cable.