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Campo magnético

¿Qué es un campo magnético?

Los campos magnéticos se caracterizan por que permiten detectar fuerzas magnéticas. Un campo magnético se puede visualizar esparciendo finas limaduras de hierro sobre un trozo de papel con un imán debajo. Un campo magnético suele simbolizarse mediante líneas de campo. Las fuerzas magnéticas se pueden medir mediante las líneas de campo. La disminución del campo magnético conforme aumenta la distancia con respecto al imán es la razón de la disminución de las fuerzas magnéticas.
Índice
El campo magnético transmite las fuerzas de un imán. Es un campo de energía electromagnética. Por tanto, la intensidad del campo magnético indica lo fuerte que es un imán. Como la cantidad de energía magnética se describe mediante el producto energético, en el que la intensidad de campo magnético se eleva al cuadrado, un imán con el doble de intensidad de campo magnético presenta cuatro veces más efecto de fuerza en comparación con un imán con una intensidad de campo simple.

Campos magnéticos ilustrados por líneas de campo

El campo magnético se ilustra a menudo mediante líneas de campo. Estas se hacen visibles cuando se esparce polvo de hierro sobre una hoja de papel con un imán debajo. En ese caso, las partículas de hierro se disponen en paralelo a las líneas de campo y hacen visible el campo magnético.

Las líneas de campo magnético son siempre cerradas; van por definición del polo norte al polo sur de un imán y son perpendiculares a la superficie del imán. En principio, las cargas en movimiento generan campos magnéticos. Por tanto, un hilo conductor de corriente también genera un campo magnético.

El campo magnético es un campo dipolar puro, lo que significa que no existen cargas magnéticas que puedan entenderse como un solo polo, sino solo imanes con un polo norte y un polo sur. Matemáticamente se puede demostrar que, por esta razón, las líneas de campo son siempre cerradas. Van del polo norte al polo sur y vuelven al polo norte en el imán.

La figura muestra de forma esquemática las líneas de campo de distintos campos magnéticos. A la izquierda se muestra el campo magnético de una barra magnética. Las líneas de campo son siempre cerradas, pero pueden formar grandes bucles. Las líneas de campo van del polo norte al polo sur por el exterior del imán y vuelven del polo sur al polo norte por el interior del imán. El campo magnético de una espira conductora de corriente (centro) es muy similar al de la barra magnética. En este caso, el polo norte magnético se forma por encima de la espira conductora y el polo sur por debajo de la espira conductora. A la derecha se muestra el campo magnético de un alambre conductor de corriente.
La figura muestra de forma esquemática las líneas de campo de distintos campos magnéticos. A la izquierda se muestra el campo magnético de una barra magnética. Las líneas de campo son siempre cerradas, pero pueden formar grandes bucles. Las líneas de campo van del polo norte al polo sur por el exterior del imán y vuelven del polo sur al polo norte por el interior del imán. El campo magnético de una espira conductora de corriente (centro) es muy similar al de la barra magnética. En este caso, el polo norte magnético se forma por encima de la espira conductora y el polo sur por debajo de la espira conductora. A la derecha se muestra el campo magnético de un alambre conductor de corriente.

Ecuaciones de Maxwell para la descripción de campos magnéticos

El campo magnético se describe mediante las ecuaciones de Maxwell. Estas indican la densidad de líneas de campo magnético para una distribución de corriente dada y la dirección de las líneas de campo magnético. Así pues, estas ecuaciones pueden utilizarse para calcular la intensidad de un campo magnético para corrientes dadas y en qué direcciones actúan las fuerzas magnéticas. En este contexto, no existen fuentes del campo magnético, mientras que las cargas eléctricas son las fuentes del campo eléctrico. Esto se manifiesta en el hecho de que las líneas de campo «salen» de las cargas o «entran» en ellas. No existen fuentes del campo magnético. Sin embargo, la variación de los campos eléctricos y las corrientes generan vórtices magnéticos. El campo magnético es, por tanto, un campo de vórtices puro.

Si se superponen muchos imanes pequeños, la intensidad total del campo magnético medible es igual a la suma de todos los campos magnéticos de los imanes pequeños. Este principio se denomina «principio de superposición», y de este se deduce que muchas corrientes anulares microscópicas diminutas en un material, cada una de las cuales conduce a un imán elemental, causan conjuntamente una magnetización mensurable, es decir, un campo magnético perceptible si todos los imanes elementales están alineados uniformemente. Si, por el contrario, los imanes elementales están orientados al azar, no se puede medir externamente ningún campo magnético.

Cálculo de campos magnéticos

Contrariamente a la creencia popular, el campo magnético en física no se abrevia con la letra B y, a diferencia del campo B, que denota la densidad de flujo magnético, no se mide en las unidades tesla o gauss. En su lugar, el campo magnético se abrevia con la letra H y se mide en amperios por metro.

Se aplica la siguiente relación:

\( H = \frac{1}{\mu\mu_0}\cdot {B}\)
Donde μ denota la permeabilidad magnética del material que está relleno por el campo magnético. μ0 es la constante de permeabilidad magnética del vacío. Para el vacío y aproximadamente para el aire, μ=1. Para el hierro, sin embargo, μ puede asumir valores de hasta varios miles.

La densidad de flujo magnético de una bobina por la que circula corriente aumenta en un factor de μ si la bobina contiene un material con la permeabilidad magnética μ. La densidad de flujo magnético no tiene fuentes ni sumideros; por tanto, penetra desde el hierro en el espacio aéreo sin cambiar de tamaño. Esto provoca un campo magnético correspondientemente grande en el espacio aéreo. Por lo tanto, los campos magnéticos se amplifican al entrar en contacto con materiales ferromagnéticos.

Se puede imaginar que un campo magnético en un material ferromagnético hace que los momentos magnéticos microscópicos existentes se alineen en paralelo y, por tanto, provoca por sí mismo una densidad de flujo magnético. Esta densidad de flujo magnético puede ser mucho más fuerte (por un factor de μ) que la densidad de flujo magnético que originalmente alineó los muchos imanes elementales.

La dependencia cuadrática de las fuerzas magnéticas en la intensidad del campo magnético se puede visualizar claramente. En el caso de la magnetización del hierro, en el campo de un hipotético imán «M4» con el doble de intensidad de campo en comparación con otro imán «M1», el hierro también se magnetiza con el doble de fuerza. El hierro, a su vez magnetizado con el doble de fuerza en el campo de M4 (en comparación con M1), se ve atraído a continuación con el doble de fuerza por unidad de magnetización por el imán M4 (en comparación con M1). Esto significa que el efecto total de la fuerza magnética y la cantidad total de energía magnética en el imán M4 es cuatro veces mayor que en M1. El efecto de fuerza y el producto de energía aumentan cuadráticamente con la densidad de flujo magnético o el campo magnético.



Retrato del Dr. Franz-Josef Schmitt
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt


El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.

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