CAMPOS MAGNÉTICOS

ANTECEDENTES

El magnetismo fue descubierto por los griegos al encontrar un mineral, la magnetita, que atraía el hierro (Fe). Los chinos observaron que un trozo de magnetita, si se dejaba suelto, apuntaba siempre en la misma dirección. Los árabes le dieron un uso práctico e inventaron la brújula para orientarse en la navegación. Las sustancias atraídas por la magnetita son magnéticas (Fe, Co, Ni) y se pueden convertir en imanes si se frotan continuamente con ella. Su poder magnético dura mucho y se llaman imanes artificiales permanentes. También se pueden imantar sustancias con la corriente eléctrica; si las propiedades magnéticas duran solo mientras pasa la corriente, se llaman imanes artificiales temporales (electroimanes).

Los imanes atraen sustancias magnéticas a distancia y tienen dos polos: norte y sur. Por convenio, el norte es el polo del imán que apunta al polo norte geográfico y el sur al opuesto. Los polos del mismo nombre se repelen y los de contrario nombre se atraen. La Tierra es un imán en el que el polo norte magnético no coincide con el geográfico. La brújula apunta al norte magnético.

Al acercar un imán a un material magnético, se induce en su extremo más cercano un polo momentáneo de nombre contrario y por eso se atraen. Cuando se quita el imán, el magnetismo del material desaparece. Los polos de un imán no se pueden separar; por eso se cree que la causa del magnetismo se debe a algo de la estructura interna de la materia.

CAMPO MAGNÉTICO

Es la zona del espacio donde se manifiesta una fuerza magnética capaz de hacer que las sustancias magnéticas se muevan. Se puede visualizar si se esparcen limaduras de hierro (Fe) en una hoja y se pone un imán debajo. Las limaduras forman las líneas del campo magnético, que son líneas cerradas y, por convenio, se dice que salen del polo norte y van al sur.

Experimentos con fenómenos eléctricos

• En 1819, Oersted vio que al colocar una brújula cerca de un conductor por el que pasa corriente, se orienta en dirección perpendicular al paso de la corriente.
• En 1820, Ampere observó que hay fuerzas magnéticas de atracción o repulsión entre dos hilos conductores por donde circula corriente eléctrica, por lo que esta corriente debe generar los campos magnéticos.
• En 1831, Faraday observó que si se introduce un imán en un solenoide, se detecta el paso de corriente por el hilo conductor, pero solo en el momento de meter y sacar el imán. Dedujo que un campo magnético de intensidad variable puede producir una corriente eléctrica.
• En 1856, Maxwell sintetizó en 4 ecuaciones matemáticas el comportamiento y las interacciones entre los campos magnéticos y eléctricos.

De todo esto se deduce que el campo magnético también aparece cuando hay cargas eléctricas en movimiento.

ACCIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO EN CARGAS EN MOVIMIENTO

Entre dos cargas eléctricas en movimiento hay dos tipos de fuerza:

1. Fuerza del campo eléctrico: se manifiesta también cuando las cargas están inmóviles (se atraen si tienen signo contrario o se repelen si tienen el mismo signo).
2. Fuerza del campo magnético: solo existe si las cargas se mueven (hay corriente eléctrica). Se representa con una B con una flecha encima, es una magnitud vectorial y hay que indicar dirección y sentido.

Cuando se coloca una carga eléctrica en un punto de un campo magnético constante se observa:

• Carga en reposo: no actúa ninguna fuerza sobre ella.
• Carga en movimiento: actúa sobre ella una fuerza que varía, es máxima cuando la carga se mueve perpendicular al campo magnético y 0 cuando se mueve en la misma dirección. La fuerza se llama fuerza de Lorentz y es igual al valor de la carga por la velocidad por la intensidad del campo magnético.

CAMPO CREADO POR CORRIENTE ELÉCTRICA

Una corriente eléctrica es un flujo de electrones que se mueven a través de un conductor con cierta velocidad, por lo que son capaces de generar un campo magnético. El campo magnético existe alrededor de todo el conductor, ya que sus líneas son cerradas y su sentido se sabe con la regla de la mano derecha. La intensidad del campo se mide en teslas (T): intensidad de un campo magnético que ejerce una fuerza de 1 N sobre una carga de 1 Culombio que se está moviendo perpendicular a la dirección del campo magnético a 1 m/s. Los campos magnéticos más intensos tienen una intensidad del orden de 10 T.

ACCIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO SOBRE CORRIENTE ELÉCTRICA

Si se coloca un conductor metálico en un campo magnético y no circula ninguna corriente eléctrica por él, no estará sometido a ninguna fuerza magnética. Pero si circula corriente eléctrica por el conductor y está en un campo magnético, es como si cada uno de los electrones se moviera con una velocidad hacia el eje del conductor.

La intensidad de la corriente eléctrica es la carga que atraviesa la sección normal (s) del conductor por unidad de tiempo: I = Q/t. La fuerza total que actúa sobre un conductor es la fuerza que actúa sobre cada partícula por el número de partículas: Ftotal = I * L * B * sen(θ).

FLUJO DEL CAMPO MAGNÉTICO

Es la cantidad de líneas de fuerza que representan el campo magnético y es una medida de la cantidad de magnetismo. Se representa con Φ y se mide en Maxwell (CGS) y en Weber (SI). Para calcular el flujo del campo magnético hay que tener en cuenta la cantidad de líneas del campo magnético que atraviesan una superficie de área s. La superficie será perpendicular a las líneas del campo, pero a veces no es así, por eso se calcula Φ = B * S * cos(θ), siendo θ el ángulo que forman las líneas del campo con la superficie.

La inducción magnética (B) es la cantidad de líneas de fuerza del campo magnético que atraviesan la unidad de superficie. Indica la concentración de líneas de fuerza en una zona del espacio: B = Φ/s.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA

La estructura molecular de la mayoría de los materiales está desordenada y no se pueden magnetizar. Pero algunos metales tienen una estructura atómica que, cuando se someten a la acción de un campo magnético, se alinean y se convierten en imanes elementales (se magnetizan) y podrán ser imanes temporales o permanentes.

Los materiales que se magnetizan con facilidad son paramagnéticos (Gd, Mn), muestran algo de susceptibilidad magnética cuando son sometidos al campo magnético y generan un campo magnético superior al que han sido sometidos. Dentro del grupo se encuentran los ferromagnéticos: alta susceptibilidad magnética porque mantienen una imantación residual después de ser sometidos al campo magnético durante un tiempo (Fe, Co, Ni).

Los que no se magnetizan o lo hacen con dificultad son diamagnéticos (Au, Ag), muestran poca susceptibilidad magnética al ser sometidos al campo magnético y generan un campo magnético menor al que han sido sometidos.

MOMENTOS MAGNÉTICOS DE LOS PROTONES

El Spin es una medida del momento cinético de la partícula cuando gira alrededor de su eje, es una propiedad intrínseca de las partículas y es siempre un número entero o semientero de la unidad. Los protones tienen un spin 1/2, el fotón 1 y no se conoce ninguna partícula con spin > 2.

Momento cinético o angular (L): es la resistencia que ofrece ese cuerpo que gira respecto a un eje a la variación de su velocidad angular (w).

Las partículas en movimiento son capaces de generar campos magnéticos, por eso el movimiento de spin de los protones crea un campo magnético con una intensidad muy pequeña alrededor suyo llamado momento magnético. Estas partículas son como imanes con dos polos norte-sur.

Los átomos con número atómico par tienen un spin nulo porque unos protones giran en un sentido y otros en el contrario, los efectos del spin se anulan por pares y el núcleo no tiene un momento magnético asociado. Los que tienen un número atómico impar tienen un spin neto, por lo que sus núcleos pueden girar sobre sí mismos y poseen un momento magnético. Estas sustancias se llaman activadas y se usan en Resonancia Magnética, por ejemplo el protón, el átomo de hidrógeno y su electrón, que responden bien a la RM y es muy abundante en el cuerpo humano, ya que aproximadamente el 75% es agua y cada molécula de agua tiene dos protones.