El Campo Magnético y la Fuerza de Lorentz

El Campo Magnético (B) es una perturbación que un imán o una corriente eléctrica producen en el espacio que les rodea.

Propiedades de la Fuerza Magnética (Fm)

• Si una carga está en reposo, la Fuerza Magnética (Fm) es nula.
• Si la carga se mueve con velocidad v, existe Fm. Su módulo es proporcional a la carga q y a la velocidad v.
• Su dirección es perpendicular a v.
• La Fm es nula si el movimiento de las cargas es paralelo al campo magnético.
• Su sentido se determina mediante la regla de la mano derecha.
• El módulo de la inducción magnética se calcula como: B = F / (q · v · sen θ).

Unidades y Representación

La unidad de la inducción magnética es el Tesla (T). La representación se realiza mediante líneas de inducción magnética; el vector de campo es tangente a estas líneas (Se requiere un diagrama ilustrativo).

Movimiento de Cargas en Campos Magnéticos

• Si la carga se mueve paralela a la inducción, la Fuerza es nula y la carga experimenta un Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU).
• Si la carga se mueve perpendicularmente a la inducción, el movimiento es circular.

Si se tiene en cuenta el Campo Eléctrico, la fuerza total es la Fuerza de Lorentz (Se requiere la fórmula, diagrama y unidades correspondientes).

Interacciones Magnéticas y Definición del Amperio

Interacciones entre Corrientes Rectilíneas Paralelas

Consideremos dos conductores rectilíneos muy largos y paralelos (el primero en el eje z y el segundo a una distancia d). Si las intensidades I₁ e I₂ tienen el mismo sentido, se cumple la ley de acción y reacción (F = -F’), y las fuerzas son atractivas. Si tuvieran sentidos contrarios, las fuerzas serían repulsivas (Se requieren las fórmulas de interacción).

Definición del Amperio

El Amperio (A) es la unidad de intensidad de corriente eléctrica, nombrada en honor al matemático André-Marie Ampère.

Características del Campo Magnético

El campo magnético presenta las siguientes propiedades:

• Actúa sobre cargas en movimiento.
• La fuerza es proporcional a la carga eléctrica.
• Puede generar fuerzas de atracción o repulsión.
• El campo se define por el vector Inducción Magnética (B).
• El campo es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (en ciertas configuraciones).
• La permeabilidad magnética tiene un valor diferente en cada medio respecto al vacío.
• Es un campo de fuerzas no conservativo.
• No se puede definir un potencial magnético escalar.
• Las líneas de campo magnético son cerradas.

Inducción Electromagnética: Experiencias de Faraday y Henry

Experiencias Fundamentales

1. Movimiento Relativo Imán-Bobina

Se genera corriente inducida cuando se acerca o aleja un imán a una bobina fija, o viceversa. La conclusión es que la corriente inducida se genera si hay movimiento relativo. Esta corriente depende de la velocidad del movimiento relativo, del campo magnético del imán y del número de espiras (Se requieren diagramas). El imán puede ser reemplazado por una espira conectada a una fuente de corriente.

2. Variación de Corriente en Espiras Adyacentes

Al cerrar el interruptor, la corriente inducida aparece momentáneamente en la espira secundaria con sentido contrario a la corriente primaria. Cuando la intensidad (I) en el circuito primario permanece constante, la corriente inducida desaparece. Al abrir el interruptor, la corriente inducida vuelve a aparecer momentáneamente, pero con sentido opuesto al inducido inicialmente. Esto se debe a que el campo magnético B es proporcional a la intensidad I (Se requieren diagramas).

Experiencia de Henry (Barra Conductora)

Una barra metálica de longitud L se desplaza de izquierda a derecha con velocidad v constante en un campo magnético B uniforme y entrante (Se requiere diagrama). La barra experimenta una fuerza magnética (Se requiere fórmula) que empuja a los electrones. Esto induce un campo eléctrico (Se requiere fórmula), permitiendo calcular el campo inducido (Se requiere fórmula) y el diferencial de potencial entre los extremos (Se requiere diagrama).

Flujo Magnético y Leyes de la Inducción

Flujo Magnético (Φ)

El flujo magnético uniforme es proporcional a B y a la superficie S. Es máximo cuando B es perpendicular al plano y paralelo al vector superficie S, y es nulo cuando B es paralelo al plano y perpendicular a S (Se requiere fórmula). La unidad es el Weber (Wb) (Se requiere diagrama).

• Si el vector superficie S es saliente del papel y el campo es saliente, el flujo es positivo (+).
• Si el campo es entrante, el flujo es negativo (-).
• Si el campo no es uniforme, se requiere una integral para su cálculo (Se requiere diagrama e integral).

Ley de Lenz

La inducción se genera por la variación del número de líneas de campo B. El sentido de la corriente inducida es aquel que se opone a la causa que la produce. Si el flujo inductor se incrementa, la corriente inducida circula de manera que el campo magnético creado genera un flujo contrario (Flujo inductor (+) → Flujo inducido (-)). Si el flujo inductor disminuye, ocurre lo contrario (Se requieren diagramas).

Ley de Faraday

La Ley de Faraday cuantifica la Fuerza Electromotriz (FEM) inducida. La FEM media se calcula mediante la expresión (Se requiere fórmula), donde k es la constante de proporcionalidad. Cuando k=1, se obtiene la expresión fundamental (Se requiere fórmula). Si la variación de tiempo es muy pequeña, se utiliza la expresión diferencial de Faraday (Se requiere fórmula).

La FEM inducida puede variar cambiando la intensidad del campo, modificando el área del circuito o variando el ángulo.

Generación de Corrientes y Valor Eficaz

Generación de Corrientes Alternas

Un generador es un dispositivo que transforma una determinada forma de energía (mecánica, por ejemplo) en energía eléctrica (Se requiere diagrama). A partir de la Ley de Faraday, se obtiene la fuerza electromotriz inducida, que tiene una función senoidal y cambia de signo (Se requieren fórmulas y gráficas).

Valor Eficaz (RMS)

El Valor Eficaz es el valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que dicha corriente alterna al aplicarse sobre una misma resistencia (Se requieren fórmulas).

Ondas Electromagnéticas

Definición y Propagación

Una Onda Electromagnética (OEM) es una perturbación generada por una carga eléctrica oscilante que propaga energía a través del espacio por medio de un campo eléctrico y un campo magnético (Se requieren diagramas y fórmulas).

Propiedades de las OEM

• Doble periodicidad: Presentan periodicidad espacial (longitud de onda, λ) y temporal (periodo, T).
• Son ondas transversales.
• Transportan energía (Se requieren fórmulas).

Espectro Electromagnético

El espectro electromagnético se ordena de menor a mayor frecuencia (Se requiere esquema).

Aplicaciones

• Ondas de Radio: GPS, comunicaciones.
• Microondas: Teléfonos, hornos.
• Infrarrojo (IR): Medicina, termografía.
• Luz Visible: Visión.
• Ultravioleta (UV): Clasificado en UVA, UVB, UVC.
• Rayos X: Industria, diagnóstico médico.
• Rayos Gamma: Medicina (radioterapia).