Un campo magnético es un campo vectorial que describe la influencia magnética de las corrientes eléctricas y los materiales magnetizados.
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¿Qué es un campo magnético?
En la vida diaria, los efectos de los campos magnéticos son más fáciles de encontrar con los imanes permanentes cercanos, que tiran de los materiales magnéticos (como el hierro) y atraen o repelen a otros imanes. Los campos magnéticos rodean y son creados por el material magnetizado y por cargas eléctricas en movimiento (corrientes eléctricas) como las que se utilizan en los electroimanes.
Los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre las cargas eléctricas en movimiento cercanas y los pares sobre los imanes cercanos. Además, un campo magnético que varía con la ubicación ejerce una fuerza sobre los materiales magnéticos. Tanto la fuerza como la dirección de un campo magnético varían con la ubicación. Como tal, es un ejemplo de un campo vectorial.
El término “campo magnético” se utiliza para dos campos diferentes pero que están muy relacionados, denotados por los símbolos B y H. En el Sistema Internacional de Unidades, H se mide en unidades de amperios por metro y B se mide en teslas o newtons por metro por amperios. H y B difieren en la forma de contabilizar la magnetización. En el vacío, B y H son lo mismo aparte de las unidades.
Los campos magnéticos son producidos por las cargas eléctricas en movimiento y los momentos magnéticos intrínsecos de las partículas elementales asociadas a una propiedad cuántica fundamental, su rotación. Los campos magnéticos y los campos eléctricos están interrelacionados, y ambos son componentes de la fuerza electromagnética, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Los campos magnéticos se utilizan ampliamente en toda la tecnología moderna, especialmente en la ingeniería eléctrica y la electromecánica. Los campos magnéticos rotativos se utilizan tanto en motores eléctricos como en generadores. La interacción de los campos magnéticos en dispositivos eléctricos como los transformadores se estudia en la disciplina de los circuitos magnéticos. Las fuerzas magnéticas dan información sobre los portadores de carga en un material a través del efecto Hall. La Tierra produce su propio campo magnético, que protege la capa de ozono de la Tierra del viento solar y es importante para la navegación con una brújula.
Características
Las características de un campo magnético se dan de la siguiente manera:
Campo magnético dentro y alrededor de un imán de barra
Como se discutió anteriormente, un campo magnético es un cambio en la energía dentro de un volumen de espacio. El campo magnético que rodea una barra magnética se puede ver en el magneto de abajo. Se puede crear un magnetograma colocando un pedazo de papel sobre un imán y rociando el papel con limaduras de hierro. Las partículas se alinean con las líneas de fuerza magnética producidas por el imán. Las líneas magnéticas de fuerza muestran dónde el campo magnético sale del material en un polo y vuelve a entrar en el material en otro polo a lo largo de la longitud del imán. Hay que tener en cuenta que las líneas magnéticas de fuerza existen en tres dimensiones, pero sólo se ven en dos dimensiones en la imagen. (Ver Artículo: Por qué la luna brilla).
Puede verse en el magnetograma que hay polos a lo largo de toda la longitud del imán, pero que los polos están concentrados en los extremos del imán. El área donde se concentran los polos de salida se denomina polo norte del imán y el área donde se concentran los polos de entrada se denomina polo sur del imán.
Campos magnéticos dentro y alrededor de la herradura y los imanes de anillo
Los imanes vienen en una variedad de formas y uno de los más comunes es el imán de herradura (U). El imán de herradura tiene polos norte y sur como una barra magnética, pero el imán es curvado de manera que los polos se encuentran en el mismo plano. Las líneas magnéticas de fuerza fluyen de polo a polo como en la barra magnética. Sin embargo, debido a que los polos están localizados más cerca y existe un camino más directo para que las líneas de flujo viajen entre los polos, el campo magnético se concentra entre los polos.
Si se colocara una barra magnética en el extremo de un imán de herradura o si se formara un imán en forma de anillo, las líneas de fuerza magnética ni siquiera tendrían que entrar en el aire. El valor de un imán de este tipo, en el que el campo magnético está completamente contenido con el material, probablemente tiene un uso limitado. Sin embargo, es importante entender que el campo magnético puede fluir en bucle dentro de un material. (Para más información, véase la sección sobre el magnetismo circular).
Propiedades generales de las líneas magnéticas de fuerza
Las líneas magnéticas de fuerza tienen una serie de propiedades importantes, entre las que se incluyen:
- Buscan el camino de menor resistencia entre polos magnéticos opuestos. En un imán de una sola barra, como se muestra a la derecha, intentan formar bucles cerrados de polo a polo.
- Nunca se cruzan.
- Todos tienen la misma fuerza.
- Su densidad disminuye (se extienden) cuando pasan de una zona de mayor permeabilidad a otra de menor permeabilidad.
- Su densidad disminuye con el aumento de la distancia de los polos.
- Se considera que tienen dirección como si fluyeran, aunque no se produce ningún movimiento real.
- Fluyen del polo sur al polo norte dentro de un material y del polo norte al polo sur en el aire.
Campo magnético terrestre
El campo magnético de la Tierra, también conocido como campo geomagnético, es el campo magnético que se extiende desde el interior de la Tierra hacia el espacio, donde se encuentra con el viento solar, una corriente de partículas cargadas que emanan del Sol. Su magnitud en la superficie de la Tierra oscila entre 25 y 65 microteslas (0,25 a 0,65 gauss).
Aproximadamente, es el campo de un dipolo magnético actualmente inclinado en un ángulo de unos 11 grados con respecto al eje de rotación de la Tierra, como si hubiera una barra magnética colocada en ese ángulo en el centro de la Tierra. El polo geomagnético norte, situado cerca de Groenlandia en el hemisferio norte, es en realidad el polo sur del campo magnético de la Tierra, y el polo geomagnético sur es el polo norte. El campo magnético es generado por las corrientes eléctricas debido al movimiento de las corrientes de convección de hierro fundido en el núcleo exterior de la Tierra impulsado por el calor que escapa del núcleo, un proceso natural llamado geodinamo.
Mientras que los polos magnéticos Norte y Sur suelen estar situados cerca de los polos geográficos, pueden deambular ampliamente sobre escalas de tiempo geológicas, pero con la suficiente lentitud como para que las brújulas ordinarias sigan siendo útiles para la navegación.
Sin embargo, a intervalos irregulares que promedian varios cientos de miles de años, el campo de la Tierra se invierte y los Polos Magnéticos Norte y Sur cambian de lugar relativamente abruptamente. Estas inversiones de los polos geomagnéticos dejan un registro en las rocas que son de valor para los paleomagnetistas en el cálculo de los campos geomagnéticos en el pasado. Esta información, a su vez, es útil para estudiar los movimientos de los continentes y los fondos oceánicos en el proceso de la tectónica de placas.
La magnetosfera es la región por encima de la ionosfera que se define por la extensión del campo magnético de la Tierra en el espacio. Se extiende varias decenas de miles de kilómetros en el espacio, protegiendo a la Tierra de las partículas cargadas del viento solar y de los rayos cósmicos que de otro modo despojarían a la atmósfera superior, incluyendo la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta.
Campo magnético solenoide
Un solenoide es una bobina enrollada en una hélice muy apretada. El término fue inventado por el físico francés André-Marie Ampère para designar una bobina helicoidal.
En física, el término se refiere a una bobina cuya longitud es sustancialmente mayor que su diámetro, a menudo envuelta alrededor de un núcleo metálico, que produce un campo magnético uniforme en un volumen de espacio (donde se puede realizar algún experimento) cuando una corriente eléctrica pasa a través de ella. Un solenoide es un tipo de electroimán cuya finalidad es generar un campo magnético controlado.
Si el propósito del solenoide es en cambio impedir cambios en la corriente eléctrica, un solenoide puede ser clasificado más específicamente como un inductor que como un electroimán. No todos los electroimanes e inductores son solenoides; por ejemplo, el primer electroimán, inventado en 1824, tenía una forma de herradura más que de solenoide cilíndrico. En ingeniería, el término también puede referirse a una variedad de dispositivos transductores que convierten la energía en movimiento lineal.
El término también se utiliza a menudo para referirse a una electroválvula, que es un dispositivo integrado que contiene un solenoide electromecánico que acciona una válvula neumática o hidráulica, o un interruptor solenoide, que es un tipo específico de relé que internamente utiliza un solenoide electromecánico para operar un interruptor eléctrico; por ejemplo, un solenoide de arranque de automóvil, o un solenoide lineal, que es un solenoide electromecánico. También existen los pernos de solenoide, un tipo de mecanismo de bloqueo electromecánico.
Campo magnético toroidal
Encontrar el campo magnético dentro de un toroide es un buen ejemplo del poder de la ley de Ampere. La corriente encerrada por la línea punteada es sólo el número de bucles multiplicado por la corriente de cada bucle. Todos los lazos de alambre que forman un toroide aportan campo magnético en la misma dirección dentro del toroide. El sentido del campo magnético es el que da la regla de la mano derecha, y se puede obtener una visualización más detallada del campo de cada lazo examinando el campo de un solo lazo de corriente. (“Ver Artículo: galaxias espirales).
Campo magnético rotante
Un campo magnético rotatorio es un campo magnético que tiene polaridades en movimiento en el que sus polos opuestos giran alrededor de un punto o eje central. Lo ideal es que la rotación cambie de dirección a una velocidad angular constante. Este es un principio clave en el funcionamiento del motor de corriente alterna.
Los campos magnéticos giratorios se utilizan a menudo para aplicaciones electromecánicas como motores de inducción y generadores eléctricos. Sin embargo, también se utilizan en aplicaciones puramente eléctricas como los reguladores de inducción.
Se puede producir un campo magnético giratorio simétrico con tan sólo dos bobinas de bobina polar accionadas a 90 grados de fase. Sin embargo, casi siempre se utilizan 3 juegos de bobinas porque es compatible con un sistema de corriente sinusoidal trifásica simétrica de CA. Las tres bobinas son impulsadas con cada conjunto impulsado 120 grados en fase de los otros. En este ejemplo, el campo magnético es la función lineal de la corriente de la bobina.
El resultado de añadir tres ondas sinusoidales de 120 grados en fase en el eje del motor es un único vector rotativo que permanece siempre constante en magnitud. El rotor tiene un campo magnético constante. El polo N del rotor se moverá hacia el polo S del campo magnético del estator, y viceversa. Esta atracción magneto-mecánica crea una fuerza que impulsará al rotor a seguir el campo magnético giratorio de forma síncrona.
Un imán permanente en tal campo girará para mantener su alineación con el campo externo. Este efecto se utilizó en los primeros motores eléctricos de corriente alterna. Un campo magnético rotatorio puede ser construido usando dos bobinas ortogonales con una diferencia de fase de 90 grados en sus corrientes alternas. Sin embargo, en la práctica, un sistema de este tipo se suministraría a través de un sistema de tres hilos con corrientes desiguales.
Esta desigualdad causaría serios problemas en la estandarización del tamaño del conductor. Para superar esto, se utilizan sistemas trifásicos donde las tres corrientes son iguales en magnitud y tienen una diferencia de fase de 120 grados. Tres bobinas similares con ángulos geométricos mutuos de 120 grados crearán el campo magnético giratorio en este caso. La capacidad del sistema trifásico para crear el campo giratorio utilizado en los motores eléctricos es una de las principales razones por las que los sistemas trifásicos dominan en los sistemas mundiales de suministro de energía eléctrica.
Los campos magnéticos rotativos también se utilizan en los motores de inducción. Debido a que los imanes se degradan con el tiempo, los motores de inducción utilizan rotores en cortocircuito (en lugar de un imán) que siguen el campo magnético giratorio de un estator multicapa. En estos motores, las vueltas de cortocircuito del rotor desarrollan corrientes de Foucault en el campo giratorio del estator, que a su vez mueven el rotor por la fuerza de Lorentz. Estos tipos de motores no suelen ser síncronos, sino que implican necesariamente un grado de “deslizamiento” para que la corriente pueda producirse debido al movimiento relativo del campo y del rotor.
Campo magnético solar
Las corrientes eléctricas dentro del sol generan un campo magnético que se extiende por todo el sistema solar. El campo causa actividad en la superficie del sol, aumentando y disminuyendo en un ciclo regular. En el pico del ciclo, la polaridad del campo se invierte, durante un tiempo de máxima actividad de las manchas solares.
El campo magnético del sol tiene dos polos, como una barra magnética. Los polos se invierten en el pico del ciclo de actividad solar, cada 11 años. Un viento solar compuesto de partículas cargadas lleva el campo magnético lejos de la superficie del sol y a través del sistema solar.
El sol no es una bola sólida, sino más bien un fluido. Presenta una rotación diferencial, lo que significa que la superficie se mueve a diferentes velocidades dependiendo de la latitud. El resultado es que las líneas de campo magnético se enrollan. Cuando el devanado se vuelve extremo, las líneas de campo magnético “se rompen”, causando llamaradas solares en esos lugares de la superficie.
La influencia magnética del sol se extiende mucho más allá de los planetas y hacia el espacio interestelar. Esta región, llamada heliosfera, actúa como un escudo magnético contra las partículas cargadas del espacio profundo llamadas rayos cósmicos.
Campo magnetico lunar
El campo magnético de la Luna es muy débil en comparación con el de la Tierra. Otras diferencias importantes son que la Luna no tiene actualmente un campo magnético dipolar (como el que generaría un geodinamo en su núcleo) y que la magnetización variable que está presente es casi totalmente de origen crustal. Una hipótesis sostiene que las magnetizaciones de la corteza fueron adquiridas a principios de la historia lunar cuando un geodinamo aún estaba operando.
Un análisis de rocas lunares magnetizadas traídas a la Tierra por los astronautas de Apolo mostró que la luna debe haber tenido un fuerte campo magnético hace al menos 4.250 millones de años, que luego disminuyó lentamente hasta hace 3.100 millones de años. El pequeño tamaño del núcleo lunar, sin embargo, es un obstáculo potencial para promover esa hipótesis al estado de la teoría. Alternativamente, es posible que en un cuerpo sin aire como la Luna, se generen campos magnéticos transitorios durante eventos de gran impacto.
En apoyo de esto, se ha observado que las mayores magnetizaciones de la corteza terrestre parecen estar ubicadas cerca de las antípodas de las cuencas de impacto gigantescas. Se ha propuesto que tal fenómeno podría resultar de la libre expansión de una nube de plasma generada por impacto alrededor de la Luna en presencia de un campo magnético ambiental.
Por ejemplo, la nave espacial Chandrayaan-1 mapeó una “mini-magnetosfera” en la antípoda Crisium en el otro lado de la luna, usando su instrumento Sub-keV Atom Reflecting Analyzer (SARA). La mini-magnetosfera tiene 360 km de diámetro en la superficie y está rodeada por una región de 300 km de espesor de flujo plasmático mejorado que resulta del viento solar que fluye alrededor de la mini-magnetosfera.
Existe una creciente evidencia de que las partículas finas de polvo de luna podrían flotar, expulsadas de la superficie lunar por repulsión electrostática. Esto podría crear una “atmósfera” nocturna temporal de polvo. La atmósfera de polvo de luna también podría juntarse en una especie de viento diáfano. Atraído por las diferencias en la acumulación de carga global, el polvo flotante volaría naturalmente desde el lado de la noche fuertemente negativo al lado del día débilmente negativo.
Este efecto de “tormenta de polvo” sería más fuerte en el terminador de la Luna. Muchos de estos detalles son todavía especulativos, pero la nave espacial Lunar Prospector detectó cambios en el voltaje nocturno lunar durante los cruces de la cola magnética, saltando de -200 V a -1000 V. La caracterización adicional fue realizada por el orbitador Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer a finales de 2013.
La lámina de plasma es una estructura muy dinámica, en un estado de movimiento constante, por lo que a medida que la Luna orbita a través de la cola magnética, la lámina de plasma puede barrer a través de ella muchas veces con encuentros que duran desde minutos hasta horas o incluso días.
Campo magnético humano
El biomagnetismo es el fenómeno en el que los campos magnéticos son producidos por los seres vivos, especialmente por el cuerpo humano (a diferencia de los campos magnéticos aplicados al cuerpo, llamados magnetobiología). Los campos magnéticos del cuerpo son muy débiles y se miden con un detector sensible llamado SQUID (dispositivo de interferencia cuántica superconductor), generalmente en una habitación con protección magnética, que excluye la mayoría de las perturbaciones externas.
Existen alrededor de 160 laboratorios en todo el mundo donde se miden campos de varias partes del cuerpo; la mayoría mide el campo magnético del cerebro, llamado magnetoencefalograma, o MEG. El MEG muestra información complementaria al electroencefalograma (EEG), y está produciendo nueva y valiosa información sobre el cerebro humano normal.
También se muestra promisorio en el diagnóstico clínico de anormalidades cerebrales. Por lo tanto, el biomagnetismo es una nueva ventana prometedora hacia el cuerpo humano en general, y hacia el cerebro en particular. Thayer School of Engineering en Dartmouth está adquiriendo ahora un sistema MEG, y se esperan desarrollos emocionantes.
David Cohen fue pionero en el estudio del Biomagnetismo (campos magnéticos producidos por el cuerpo), donde realizó muchas de las primeras mediciones. En 1969 Cohen construyó una sala blindada en el MIT, pero aún así necesitaba un detector más sensible. James Zimmerman acababa de desarrollar un detector extremadamente sensible llamado SQUID (Superconducting Quantum Interference Device).
Cohen y Zimmerman instalaron este detector en la nueva habitación para observar la señal cardíaca del cuerpo: el magnetocardiograma (MCG). Por primera vez las señales fueron claras, y su informe resultante, llamado la carta magna del biomagnetismo, marcó el comienzo de una nueva era en el biomagnetismo. Cohen entonces midió la primera señal clara del cerebro o magnetoencefalograma (MEG).
Cohen trabajó continuamente en biomagnetismo a lo largo de su carrera, fue autor de muchas publicaciones, la mayoría sobre el MEG, y ha sido llamado “el padre del MEG”. Permanece activo, es miembro del cuerpo docente de la Facultad de Medicina de Harvard y es mentor del grupo MEG del Martinos Center for Biomedical Imaging, que se encuentra en el Hospital General de Massachusetts.
Campo magnético inducido
La inducción electromagnética o magnética es la producción de una fuerza electromotriz (es decir, voltaje) a través de un conductor eléctrico en un campo magnético cambiante.(Ver: Curiosidades del Planeta Mercurio)
A Michael Faraday se le atribuye generalmente el descubrimiento de la inducción en 1831, y James Clerk Maxwell la describió matemáticamente como la ley de inducción de Faraday. La ley de Lenz describe la dirección del campo inducido. La ley de Faraday se generalizó más tarde para convertirse en la ecuación de Maxwell-Faraday, una de las cuatro ecuaciones de Maxwell en su teoría del electromagnetismo.
La inducción electromagnética ha encontrado muchas aplicaciones, incluyendo componentes eléctricos como inductores y transformadores, y dispositivos como motores y generadores eléctricos.
Campo eléctrico y campo magnético
El área alrededor de un imán dentro de la cual se ejerce la fuerza magnética se denomina campo magnético. Se produce mediante cargas eléctricas móviles. La presencia y la fuerza de un campo magnético se indica mediante “líneas de flujo magnético”. La dirección del campo magnético también se indica mediante estas líneas. Cuanto más cerca estén las líneas, más fuerte será el campo magnético y viceversa.
Cuando las partículas de hierro se colocan sobre un imán, las líneas de flujo se pueden ver claramente. Los campos magnéticos también generan energía en las partículas que entran en contacto con ellos. Los campos eléctricos se generan alrededor de las partículas que soportan la carga eléctrica. Las cargas positivas se dirigen hacia él, mientras que las cargas negativas se repelen.
Una carga en movimiento siempre tiene un campo magnético y un campo eléctrico, y esa es precisamente la razón por la que se asocian entre sí. Son dos campos diferentes con casi las mismas características. Por lo tanto, están interrelacionados en un campo llamado campo electromagnético. En este campo, el campo eléctrico y el campo magnético se mueven en ángulo recto entre sí. Sin embargo, no dependen unos de otros. También pueden existir independientemente. Sin el campo eléctrico, el campo magnético existe en los imanes permanentes y los campos eléctricos existen en forma de electricidad estática, en ausencia del campo magnético.
