Introducción teórica al Campo Magnético

El campo magnético es una propiedad de espacio por la cual una carga eléctrica puntual de valor q que se desplaza a una velocidad, sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo, llamada inducción magnética (o según algunos autores, Densidad de flujo magnético). Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.

F=qv x B

(Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto cruz es un producto vectorial que tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B).

La existencia de un campo magnético se pone en evidencia por la propiedad localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que pone en evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro. Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una corriente eléctrica de convección, que da lugar a un campo magnético estático. Por otro lado una corriente de desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso aunque aquella sea estacionaria.

La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley de Ampere. El caso más general, que incluye a la corriente de desplazamiento, lo da la ley de Ampère-Maxwell.

Introducción teórica al Campo Eléctrico

El campo eléctrico es una propiedad del espacio, debido a la cual una carga eléctrica puntual de valor "q" sufrirá los efectos de una fuerza "F" que vendrá dada por la siguiente ecuación:

F= q x E

Donde "E" es el mencionado campo eléctrico, que es, por tanto una magnitud vectorial. Esta definición indica que el campo no es directamente medible, sino a través de la medición de la fuerza actuante sobre alguna carga. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Michael Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832.


Un campo electromagnético tiene dos componentes. Una de ellas es debida a la existencia de una distribución de cargas, dando lugar a un campo electroestático. La otra es la presencia de un campo magnético variante en el tiempo, que da lugar a un campo eléctrico también variante. El campo eléctrico va a depender de la superficie en cuestión que genera dicho campo y del estado de movimiento del observador respecto a las cargas que generan el campo.


Un campo eléctrico estático puede ser representado con un campo vectorial, o con Líneas Vectoriales (líneas de campo). Las líneas vectoriales se utilizan para crear una visualización del campo. Se trazan en un papel en dos dimensiones, sin embargo se cree que existen en un espacio tridimensional. En realidad existen infinitas líneas de campo, sin embargo se representan sólo unas pocas por claridad.


Son líneas perpendiculares a la superficie del cuerpo, de manera que su tangente en un punto coincide con la dirección del campo en ese punto. A mayor concentración de líneas, mayor módulo. En el ejemplo de la moneda, el campo es mayor en las cercanías de esta y disminuye a medida que nos alejamos de ella.


Uniendo los puntos en los que el campo eléctrico es igual formamos superficies equipotenciales; puntos donde el potencial tiene el mismo valor numérico.


Gráficamente se podría decir que es similar al campo magnético.

Introducción teórica al Campo Electromagnético

Un Campo Electromagnético es un campo físico, de tipo tensorial, que afecta a partículas con carga eléctrica.

Fijado un sistema de referencia podemos descomponer convencionalmente el campo electromagnético en una parte eléctrica y en una parte magnética. Sin embargo, un observador en movimiento relativo respecto a ese sistema de referencia medirá efectos eléctricos y magnéticos diferentes, lo cual ilustra la relatividad de lo que llamamos parte eléctrica y parte magnética del campo electromagnético. Como consecuencia de lo anterior tenemos que ni el "vector" campo eléctrico ni el "vector" de inducción magnética se comportan genuinamente como magnitudes físicas de tipo vectorial, sino que juntos constituyen un tensor para el que sí existen leyes de transformación físicamente esperables.

La contribución de Maxwell en el campo del electromagnetismo fue especialmente significativa, dado que las leyes que formuló son fundamentales para todas las formas de fenómenos electromagnéticos. Su trabajo tiene tanta importancia como las leyes del movimiento y la teoría de la gravitación universal.

Experimento de la web: Motor líquido

En esta experiencia vamos a construir un "motor líquido". Realmente se trata de un dispositivo en el que, aprovechando las propiedades del electromagnetismo y de las reacciones electroquímicas, podemos conseguir que un líquido comience a dar vueltas.

Necesitamos:

• 1 imán potente y grande (en la experiencia hemos utilizado el de un altavoz de graves) .
• Vaso metálico.
• Tubería de cobre. Sirve cualquier electrodo metálico o de grafito (por ejemplo, una mina de lápiz).
• 1 pila de 4,5 V o 9 V.
• Cables para la conexión eléctrica.
• Láminas de plástico o goma que sirvan de aislantes.
• Disolución de sulfato de cobre (II). También se puede hacer con una disolución concentrada de sal común en agua.

¿Cómo lo hacemos?

La figura muestra cómo debe quedar montado el dispositivo para su correcto funcionamiento. En primer lugar, el vaso debe quedar apoyado sobre el imán, pero separado por una lámina aislante. Aunque no es del todo necesario y el dispositivo funcionaría sin el aislante, de esta forma evitamos que la corriente derive hacia el imán.

En el fondo del vaso colocamos otra lámina aislante. De esta forma conseguimos que los electrodos sean las paredes del vaso y la tubería de cobre.Colocamos la disolución de forma que cubra parte de la tubería de cobre y conectamos el circuito. Cuando la corriente pasa, el líquido en el interior del vaso comienza a girar alrededor de la tubería de cobre. Ya tenemos el motor líquido.

El experimento funciona independientemente de la polaridad con la que se efectúe la conexión. Sin embargo, es conveniente que el vaso vaya unido al polo "-" (negativo). De esta forma se deposita cobre sobre las paredes a la vez que se "disuelve" el electrodo central. Al contrario, se "disolvería" el aluminio del vaso y podría llegar a perforarse.

Conclusiones motor líquido

¿Por qué ocurre esto?

Para comprender lo que ocurre tenemos que fijarnos en los dos fenómenos puestos en juego.

En primer lugar hay un proceso electroquímico. Al conectar la corriente eléctrica (continua) los electrodos atraen a los iones de la disolución hacia ellos. El electrodo positivo atrae a los iones negativos y el electrodo negativo a los iones positivos. El resultado global es que la disolución cierra el circuito y se establece una corriente eléctrica con el movimiento de los iones.

El movimiento de los iones tiene lugar en el seno de un campo magnético (el creado por el imán que tenemos debajo del vaso). Esto da lugar al segundo efecto que nos permite explicar el fenómeno. Se trata de un proceso electromagnético. Toda carga en movimiento en el seno de un campo magnético experimenta una fuerza de dirección perpendicular al vector velocidad y al vector campo magnético. Esto se presenta en algunos libros como la regla de la mano izquierda (Ley de Lorentz) y está en la base de cualquier motor eléctrico (en la figura, las X representan un campo magnético entrante y perpendicular al plano de la pantalla).

Pero lo más importante es que la fuerza es siempre perpendicular a la velocidad. Eso hace que se curve la trayectoria de las cargas y acaben dando vueltas en círculos alrededor de un punto, en este caso el electrodo central (la tubería de cobre). Las cargas no las podemos ver, pero sí el efecto de movimiento que tiene lugar en el líquido.

En los electrodos tienen lugar también procesos electroquímicos. En uno se produce una reacción de oxidación (de los iones) y en el otro una reducción. Si la disolución es de sulfato de cobre, veremos como en uno de los electrodos (en el negativo) los iones Cu2+ se transforman en Cu (metal) y se desprende un polvillo de color rojizo. Si se utilizan otras disoluciones, en los electrodos se desprenderán otras sustancias.

Aplicaciones en la actualidad

Las leyes de la electricidad y el magnetismo juegan un papel muy importante en la operación de dispositivos como radios, televisiones, motores eléctricos, computadoras, aceleradores de alta potencia y otros aparatos electrónicos. Incluso en su forma básica, las fuerzas interatómicas e intermoleculares responsables de la formación de sólidos y líquidos son, en su origen, eléctricas. Además, fuerzas como las de empuje y atracción que se presentan entre objetos, así como la fuerza elástica que posee un resorte provienen de fuerzas eléctricas existentes en el nivel atómico.

Los ámbitos principales de aplicación actual son:

CAMPO ELÉCTRICO

- En la detección y prevención de tormentas.
- Electrónica.
- Diseño de condensadores y resistencias.
- Aparatos para control automático.
- Interruptores.

CAMPO MAGNÉTICO

- En casi todas las ramas de la medicina (esta es la más importante y la más extensa).
- Base del motor eléctrico y el transformador.
- Ha influido en la revolución de los ordenadores.
- Fabricación de memorias de ordenador (pendrive).
- Cintas y discos para almacenar datos.
- Trenes de levitación magnética.
- Ciclotrones y aceleradores lineales.
- Telefonía móvil.

Nuestro experimento: Campanas de Franklin

En este experimento vamos a construir un motor de alto voltaje que se asemeja a las denominadas “campanas de Franklin”, inventadas por el científico americano del mismo nombre que las utilizo para detectar los rayos de las tormentas y someterlos a estudio. Los materiales necesarios son:

Dos latas de refresco.

• Un objeto de plástico, por ejemplo un bolígrafo.
• 15 centímetros de hilo.
• Una lámina de aluminio de unos 30 cm.
• Cinta adhesiva.
• Dos cables de cobre.

El montaje del experimento es sencillo y con el vamos a poder observar claramente cómo actúa el campo eléctrico.

En primer lugar conectaremos los cables a las latas de aluminio de forma que uno de ellos estará conectado a tierra (nosotros mismos actuaremos como conexión a tierra) y el otro conectado a su vez a una fuente de alto voltaje (un televisor actuará como tal), colocando sobre dicha fuente la lamina de aluminio que recogerá la carga eléctrica producida que será conducida por el cable. Las dos latas se colocarán a una distancia de unos 5 cm y entre ellas se situará colgada de un hilo una de las anillas de las latas. El conjunto resultante será algo semejante a una campana. Al comenzar a funcionar la fuente de alto voltaje la carga que produzca hará que la anilla se balance como en una campana.

Conclusiones de nuestro experimento

¿Por qué ocurre esto?

Dentro de la televisión hay un generador de alto voltaje que se usa para mandar electrones a la pantalla y que crean las imágenes. Al colocar un conductor de gran tamaño en la pantalla construimos un capacitor que se carga en forma parecida a las baterías de los coches y usamos la electricidad fuera de la televisión. El voltaje con el que se carga nuestro capacitor es alto, pero tiene muy poca corriente, de manera que si tocamos la lámina, la descarga no es peligrosa.

Una de las latas está conectada a la fuente de alto voltaje y la otra a tierra, por lo que la electricidad se va tierra. Los electrones de la lata conectada a la fuente atraen al aro, de forma que al tocar este la lata se carga con cargas del mismo tipo, y debido a que cargas del mismo tipo se repelen el aro se desplaza hacia la otra lata donde se descarga, volviendo a repetirse el proceso.