21.1: Campos magnéticos

Así como podemos modelar la fuerza eléctrica en una carga usando el campo eléctrico (por ejemplo, de otra carga), podemos modelar la fuerza sobre un imán usando un campo magnético (por ejemplo, de otro imán). En tu experiencia, cada imán que has visto siempre tiene un polo “Norte” y un polo “Sur”. Lo más probable es que hayas notado que el polo Norte de un imán es atraído por el polo Sur de otro imán, y que los dos polos Norte (o Sur) de diferentes imanes se repelen entre sí. Así, la fuerza magnética es atractiva entre dos polos opuestos, y repulsiva de otra manera.

La Tierra misma puede modelarse como un imán de barra gigante, con polos magnéticos Norte y Sur. Los polos de un imán están etiquetados Norte y Sur según el polo geográfico de la Tierra al que se sienten atraídos (una aguja de brújula magnética tiene un polo Norte magnético en el lado que apunta al polo geográfico Norte de la Tierra).

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿El polo norte magnético de la Tierra se encuentra más cerca del polo norte geográfico de la Tierra o más cerca de su Polo Sur geográfico?

1. La Tierra no tiene un campo magnético.
2. El polo norte magnético de la Tierra se encuentra en el polo norte geográfico de la Tierra.
3. El polo norte magnético de la Tierra está en el polo sur geográfico de la Tierra.
4. El polo Norte magnético de la Tierra depende de la carga del observador.

Contestar

Puede parecer que la fuerza magnética puede describirse de la misma manera que la fuerza eléctrica, teniendo dos “cargas” de signo opuesto (o polos para imanes), aunque este no es el caso. Por lo que podemos decir, no hay imanes que tengan solamente un polo Norte o un Polo Sur. Todo imán debe tener un polo Norte y un Polo Sur. Esto es fundamentalmente diferente de la fuerza eléctrica, donde un objeto puede tener una carga neta positiva o negativa. En el contexto del magnetismo, decimos que “los monopolos no existen” (un objeto que solo tiene un polo Norte o un Polo Sur se llamaría monopolo). Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\), que muestra lo que sucede cuando se corta un imán de barra en dos piezas; en lugar de terminar con una pieza Norte y una Sur (monopolos), terminamos con dos imanes de barra más pequeños, cada uno con sus propios polos Norte y Sur, y así sucesivamente si tratamos de subdividir los imanes aún más.

Figura\(\PageIndex{1}\): Cuando se corta una barra magnética por el centro, se obtienen dos imanes, cada uno con un polo Norte y Sur, en lugar de un imán Norte y otro Sur.

Modelamos la fuerza magnética usando un vector de campo magnético, generalmente etiquetado,\(\vec B\). La magnitud del campo magnético tiene las unidades S.I. de Teslas (\(\text{T}\)). Dibujamos líneas de campo magnético de la misma manera que dibujamos líneas de campo eléctrico. Las líneas de campo magnético son tales que el vector de campo magnético,\(\vec B\), en algún punto en el espacio es tangente a la línea de campo en ese punto. La intensidad del campo magnético está determinada por la densidad de las líneas de campo en esa posición en el espacio. La dirección del campo magnético,\(\vec B\), indica la dirección de la fuerza que se ejerce sobre el polo Norte de un imán. Las líneas de campo magnético fluyen así lejos de los polos Norte y hacia los polos Sur.

La descripción del campo magnético es similar a la del campo eléctrico, siendo los polos magnéticos Norte similares a las cargas eléctricas positivas, y viceversa. Sin embargo, debido a que los monopolos magnéticos no existen, las líneas de campo magnético no terminan (ni comienzan) en el polo de un imán. Más bien, las líneas de campo magnético siempre deben formar bucles cerrados. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra las líneas de campo magnético para una barra magnética, destacando que las líneas de campo no terminan en los polos, sino que continúan a través del imán (y algunas de las líneas solo “cierran” fuera de la figura). El campo magnético de una barra magnética es muy similar al campo eléctrico creado por un dipolo eléctrico (y por esa razón, a menudo usamos el término dipolo magnético para describir objetos que crean un campo magnético con la misma forma).

Figura\(\PageIndex{2}\): Las líneas de campo magnético para una barra magnética siempre forman bucles cerrados ya que no terminan en el polo Norte o Sur del imán.

Discutiremos cómo modelar los campos magnéticos en el próximo capítulo, pero es importante entender que los campos magnéticos se crean al mover cargas eléctricas. Los electrones en el material que forma una barra magnética son las cargas móviles que crean el campo magnético. Como veremos, el campo magnético de una carga que se mueve alrededor en un círculo (o un bucle circular de corriente), tiene exactamente la misma forma que la de una barra magnética, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Así podemos pensar en la carga que se mueve en círculo como una barra magnética pequeña, o más precisamente, como un dipolo magnético.

Figura\(\PageIndex{3}\): Las líneas de campo magnético producidas por un bucle circular de corriente,\(I\), son las mismas que las producidas por un imán de barra.

En un imán, los electrones en el material se mueven de tal manera que los campos magnéticos que generan están todos en la misma dirección. Cada átomo es como un pequeño dipolo magnético, y todos estos están alineados. Esto nos permite entender por qué cortar un imán no da como resultado dos monopolos (Figura\(\PageIndex{1}\)): cuando cortamos la barra magnética, terminamos con menos material, pero cada pieza de material aún contiene dipolos magnéticos que están alineados entre sí, teniendo cada uno un lado Norte y Sur. Obsérvese que no es el movimiento de los electrones alrededor de sus núcleos lo que da como resultado el campo magnético, y que se requiere de la mecánica cuántica y la noción de “espín” para describirlo todo en detalle.

La mayoría de los materiales responderán a campos magnéticos, pero el comportamiento es más evidente en materiales “ferromagnéticos”, como el hierro (Fe). Los materiales ferromagnéticos pueden ser magnetizados por un campo magnético externo, transformándolos efectivamente en imanes. Se puede pensar en un material como que contiene muchos dipolos magnéticos pequeños (del movimiento de los electrones), que a su vez son como barras magnéticas. Si ese material es ferromagnético, un campo magnético externo puede actuar sobre los pequeños “imanes de barra”, orientándolos todos de la misma manera, para que el material en su conjunto se vuelva magnético. Para algunos materiales ferromagnéticos, esa orientación común permanecerá cuando se elimine el campo magnético externo, creando un “imán permanente”. Para otros materiales ferromagnéticos, la orientación común desaparece cuando se elimina el campo externo; esos materiales son atraídos por un imán, pero no pueden formar un imán.