I.4.a.- Imanes: polos, líneas de campo magnético
I.4.b.- Corrientes eléctricas
I.4.c.- Fuerza del campo magnético sobre una corriente
I.4.d.- Motor eléctrico
I.4.e.- Fuerza del campo magnético sobre cargas eléctricas
I.4.f.- Movimiento de una carga en un campo magnético
I.4.g.- Experimento de Ørsted: Campo magnético de una corriente eléctrica

En este apartado vamos a poner de manifiesto las interacciones magnéticas que como veremos tienen dos fuentes: los imanes y las corrientes eléctricas. Desde hace siglos se conoce la existencia de los imanes, decimos que interactúan debido al campo magnético que generan. Una de sus características es que para su descripción necesitamos diferenciar dos tipos de “polos” que llamamos Norte y Sur, los polos iguales se repelen y los distintos se atraen, esto nos recuerda a la interacciún entre cargas pero en este caso hay una diferencia importante, nadie se ha encontrado con un polo aislado de su opuesto.

Tarea I.4.1 ¿Porqué los imanes interaccionan?   ¿Cómo interaccionan los imanes?     Líneas de Campo Líneas tangentes en cada punto al campo, las líneas del campo convenimos en que salen del polo norte y entran por el polo sur.
Imagen tomada de SUPERCOMET. Módulo Magnetismo	Imagen tomada de youtube

Vídeo sobre campos magnéticos de imanes:
http://es.youtube.com/watch?v=V9v2KBjXyc0&feature=related (5 m)

I.4.b.- Corrientes eléctricas

Si pudiéramos observar dos cargas eléctricas estas interactúan de acuerdo con la expresión de Coulomb, tal como vimos en el apartado I.2 - Campos: Gravitatorio, Electromagnético, pero si además estas cargas se mueven respecto a nosotros observaríamos una fuerza que es perpendicular a sus velocidades y que denominamos magnética. A las cargas en movimiento las denominamos corrientes eléctricas. Las cargas eléctricas en movimiento, corrientes eléctricas, generan campos magnéticos. También podemos observar fuerzas magnéticas sobre cargas en movimiento, corrientes eléctricas, si las ponemos en presencia de ciertos materiales magnéticos, imanes.

Las corrientes eléctricas son cargas en movimiento

No sabemos porqué interaccionan dos imanes ni porqué interaccionan con las corrientes eléctricas ni porqué interaccionan estas entre si, pero si podemos saber cómo es esta interacción. Concretamente, en este apartado, vamos a describir cómo interactúa un campo magnético con una corriente y, en el apartado 1.4.e, veremos cómo interactúa con cargas eléctricas. Primero realizaremos una descripción en términos coloquiales lo más precisa posible, y luego trataremos de expresarla mediante símbolos muy escuetos, símbolos matemáticos que han demostrado una eficacia extraordinaria.

En las imágenes se muestra una situación práctica de lo anteriormente expuesto. Cuando hacemos pasar una corriente eléctrica por un conductor que se encuentra en un campo magnético aparece una fuerza perpendicular a la corriente y al campo.

Pohl experiment. Imagen tomada de http://youtube.mosem.no/

Al cerrar el circuito pasa una corriente por el conductor que se encuentra dentro del campo magnético Imagen capturada de SUPERCOMET: http://online.supercomet.no/ Capítulo Magnetismo, animación 23.

Si invertimos el sentido de la corriente se invierte el sentido de la fuerza. En el caso de corrientes eléctricas rectilíneas la fuerza sobre un conductor de longitud l se puede escribir:

Donde I es la intensidad de la corriente y L un vector cuyo módulo es la longitud del conductor y su dirección y sentido el de la corriente eléctrica. Con el símbolo ∧ representamos el producto de dos vectores cuyo resultado es otro vector perpendicular a ambos. Para encontrar la dirección y sentido del producto vectorial de dos vectores se puede utilizar la “Regla de la Mano Derecha” que se muestra en la imagen.

Imagen tomada de: http://en.wikipedia.org/wiki/Cross_product

Para saber sobre el producto vectorial:
http://www.phy.syr.edu/courses/java-suite/crosspro.html
http://www.fisica-basica.net/David-Harrison/castellano/Vectors/CrossProduct/CrossProduct.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Producto_vectorial

Podemos aprovechar la interacción campo magnético corriente para conseguir mover, de modo eficaz, un conductor por el que pase una corriente.

Simulación creada por Water Fendt: http://www.walter-fendt.de/ph14s/electricmotor_s.htm

Para ello utilizamos un dispositivo como se muestra en la imagen. Vemos un imán de herradura con el polo norte en la parte superior y el sur en la parte inferior que crea un campo magnético prácticamente constante entre sus brazos y que representaremos por el vector B, las líneas de este campo salen del polo norte y entran al polo sur. Un generador de corriente continua alimenta una espira rectangular cuyos extremos se conectan a unos semicírculos que deslizan sobre unas escobillas que se encuentran unidas al generador. Esta disposición hace que el sentido de la corriente en la espira cambie, si esta espira gira, cada medio giro. Sobre el conductor que se encuntra en la parte superior en la imagen aparece una fuerza perpendicular al conductor por el que pasa la corriente y al vector campo magnético, su sentido será hacia atrás, sobre el otro brazo la fuerza será hacia delante.

La corriente eléctrica son cargas en movimiento, expresemos la fuerza en términos de la carga. En la imagen se observa una carga que lleva una velocidad y que se encuentra dentro de un campo magnético, se observa una fuerza que es perpendicular a los vectores velocidad y campo, el sentido viene dado por la regla del sacacorchos, además su módulo depende del ángulo que forman estos vectores. La experimentación nos lleva a describir la interacción entre campo magnético y carga en movimiento mediante la expresión:

Esta expresión se conoce como Fuerza de Lorentz y el producto de vectores que la describe se llama producto vectorial y se indica con el símbolo ∧.

Una diferencia cualitativa importante respecto a las fuerzas gravitatorias y eléctricas vistas hasta ahora, es que la fuerza depende de la velocidad de la partícula que como sabemos es un concepto relativo, es decir, depende del sistema desde el que se observa la experiencia.

Tarea I.4.7 Obtener la fuerza que ejerce el campo magnético sobre la carga q en cada uno de los siguientes casos: 1) Carga con velocidad v1 2) Carga con velocidad v2 3) Carga con velocidad v3 4) Carga con velocidad v4

¿Qué trayectoria seguirá una carga en el interior de un campo magnético? Podemos explorar este fenómeno mediante las simulaciones:
http://surendranath.tripod.com/Applets/Electricity/MovChgEleMag/MovChgEleMagApplet.html
http://surendranath.tripod.com/Applets/Electricity/MovChgMag/MovChgMagApplet.html

Tarea I.4.8 En la imagen una carga con velocidad en el plano X Y, se encuentra en un campo magnético uniforme en la dirección Z y sentido hacia arriba, comenta la figura Imagen capturada de una simulación en: http://surendranath.tripod.com/

Tarea I.4.9 Comenta la figura Imagen capturada de una simulación en: http://surendranath.tripod.com/

Se pueden realizar otras experiencias del movimiento de una carga en un campo magnético uniforme en simulaciones en las que podemos modificar la orientación del campo, la posición, velocidad y el valor de la carga visualizando la trayectoria de la carga en cada caso. Podemos encontrar una simulación en tres dimensiones en el enlace: http://webs.um.es/jmz/IntroFisiCompu/ejs/Ejemplos/drawables3D/carga_campoB.html En la imagen se muestra la ventana de una experiencia realizada con dicha simulación, en ella observamos la trayectoria de una partícula con carga negativa que penetra en una región con un campo magnético uniforme, la velocidad se representa mediante una flecha en la dirección de la trayectoria y la fuerza que ejerce el campo magnético se visualiza mediante una flecha perpendicular a la trayectoria.

Tarea I.4.10 Una carga negativa, con velocidad representada por el vector de la imagen, realiza la trayectoria que se muestra. Enuncia una suposición razonable de porqué ha realizado esa trayectoria

Hay dos fuentes de campo magnético, los imanes y las corrientes eléctricas. Si ponemos brújalas alrededor de una corriente rectilínea estas se orientan como se muestra en la figura. Las líneas de campo magnéticos las dibujaremos tangentes a la dirección en que se posicione una brújula en ese punto. Esta experiencia la realizó el danés Ørsted a comienzos de 1820 al percatarse que unas brújulas se reorientaban al pasar corriente eléctrica por unos conductores que se encontraban en sus proximidades. Encontró así una de las “Reglas de juego de la Naturaleza”: las cargas en movimiento, una corriente eléctrica, producen un campo magnético capaz de interactuar con los imanes.

Si ponemos brújulas alrededor de una corriente eléctrica rectilínea observamos cómo se orientan perpendicularmente a dicha corriente, establecemos que una corriente eléctrica rectilínea crea un campo magnético cuyas líneas son círculos concéntricos con la recta que define el conductor, el sentido es tal que lo podemos conocer siguiendo la “regla de la mano derecha”, situamos el pulgar en la dirección y sentido de la corriente, la posición natural del resto de los dedos nos indicará la dirección y sentido de las líneas del campo magnético.

En la imagen del centro vemos una representación de una corriente que sale del papel perpendicularmente al mismo con la representación de las líneas de campo magnético, que son circunferencias concéntricas al conductor y su sentido, de acuerdo con la regla de la mano derecha, el contrario a las agujas del reloj, Para visualizar las líneas de campo magnótico podemos utilizar brújulas como se muestra en la imagen de la derecha, las brújulas se orientan de modo que las líneas de campo entren por el polo sur y salgan por el norte. Se pueden utilizar limaduras de hierro en un plano vertical a la corriente como en la primera imagen.

Imagen con limaduras está tomada del vídeo en el que se recoge una experiencia de laboratorio:
http://es.youtube.com/watch?v=V9v2KBjXyc0&feature=related
Las otras imágenes ver animaciones en el capátulo de magnetismo en: http://online.supercomet.no/