FISICA

Magnetostática

La magnetostática es el estudio de todos los fenómenos físicos en los que intervienen campos magnéticos constantes en el tiempo. La magnetostática abarca desde la atracción que ejercen los imanes y los electroimanes sobre los metales ferromagnéticos, como el hierro, hasta los campos magnéticos creados por corrientes eléctricas estacionarias. De hecho ambos fenómenos están estrechamente relacionados, ya que las corrientes eléctricas crean un campo magnético proporcional a la intesidad de corriente y que disminuye con la distancia. Además todo cuerpo que entra en un campo magnético toma una imantación que depende de su naturaleza, y que generalmente pierde al retirarse de ese campo; algunos aceros conservan parte del magnetismo inducido o magnetismo remanente. Hay cuerpos paramagnéticos que son atraídos por los imanes, y cuerpos diamagnéticos, que son repelidos por ellos.

El magnetismo es la propiedad que tienen determinadas sustancias de atraer especialmente algunos minerales como el hierro, cobalto y níquel.

Magnetismo, uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética. La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos
han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia.

Dibujo de magnetostatica

Imanes 

Un iman es un objeto que atrae otros objetos fabricados con hierro u otros metales.A la propiedad que tienen los imanes de atraer objetos se le llama magnetismo.
Pero no solo los imanes atraen objetos,sino que algunos minerales como la magnetita, también atraen algunos objetos metálicos.Con estos minerales se pueden construir imanes naturales, pero la mayoría de imanes que usamos son artificiales.
A los objetos que se quedan pegados a los imanes se les llaman imanes temporales,y se atraen unos a otros objetos.

Las fuerzas entre imanes:Los imanes tienen dos caras que llamamos polo norte magnético y polo sur magnético, y cada cara se marca con un color diferente para diferenciarlas, y depende de que zonas juntemos,se repelen o se atraen.
Por ejemplo:
Si intentamos juntar dos caras del mismo polo, se repelen,Pero si juntamos el polo norte magnético con el polo sur magnético, se atraen.

El magnetismo de los imanes se explica debido a las pequeñas corrientes eléctricas que se encuentran al interior de la materia. Estas corrientes se producen debido al movimiento de los electrones en los átomos, y cada una de ellas da origen a un imán microscópico. Si todos estos imanes se orientan en forma desordenada, entonces el efecto magnético se anula y el material no contará con esta propiedad. Por el contrario, si todos estos pequeños imanes se alinean, entonces actúan como un solo gran imán, entonces la materia resulta ser magnética.

Dibujo de imán 

Polos                                                                 

Se conoce como polo magnético al conjunto de puntos del globo terráqueo que se halla ubicado en las zonas polares y que, debido al campo magnético de la Tierra, ejerce atracción sobre los elementos imantados. Las brújulas, por ejemplo, cuentan con agujas que, por la imantación, siempre señalan al polo sur magnético.

Los polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos: la ubicación de cada polo magnético, de hecho, evidencia un desplazamiento frente al eje geográfico del planeta. El ángulo que se crea entre dicho eje y el eje magnético es representado por la letra delta (del alfabeto griego) y se conoce como declinación.

Si dos polos magnéticos iguales son colocados unos cerca del otro, ambos se repelan, si dos polos magnéticos diferentes son colocados uno cerca del otro, ambos son atraídos.

Propiedades magnéticas de la materia                                                                   

 Las propiedades magnéticas de la materia proceden de dos fuentes. Una pequeña circulación actual que produce el campo magnético proceden de los electrones en el movimiento orbital sobre el núcleo. El spin intrínseco de los electrones es el resultado del momento angular sobre el núcleo y que el magnetismo agrega el momento magnético intrínseco y momento angular intrínseco.

Donde no existe campo magnético o un campo magnético aplicado los momentos magnéticos orbitales e intrínsecos de varios electrones son aleatorios dentro de la materia. El campo magnético en esta etapa se promedió en cero como es ampliamente suficiente para ser percibido o examinada por el ojo desnudo que no hay ninguna indicación de magnetismo. El momento magnético se define como la medida estándar de comparación del magnetismo de una partícula. Todos los micro componentes estructurales de un asunto, es de electrones, protones y neutrones son los portadores fundamentales de momento magnético y la mezcla de estos sería las fuentes básicas de magnetismo. Por lo tanto propiedades magnéticas son inherentes a todas las cuestiones. es decir, todos los asuntos son imanes.Mayoría de los asuntos es sólo muy ligeramente magnética en medio de un campo magnético. El campo magnético externo influye en el movimiento orbital y se observan corrientes spin dejando dos efectos básicos del campo• Paramagnético momento es creada por el campo externo si hay momento magnético de cero en el átomo que es un momento positivo paralelo al campo (hay un orbital magnético momento y giro momento magnético).

• Diamagnética momento se crea debido al efecto diamagnético. Con respecto a Lenz Law, una corriente inducida que se configura por el campo magnético con la dirección del campo magnético frente al campo inicial.

La particularidad del efecto diamagnético en casi todos los materiales, por lo tanto todo lo exhibe diamagnetismo. Los diferentes tipos de propiedades magnéticas expuestos en varios materiales individuales dieron la forma de clasificación de las sustancias según sus reacciones en campos magnéticos aplicados y el nivel de susceptibilidad magnética de estas sustancias.              

Temperatura de curie                                             

En un material ferromagnético dado, el orden de largo alcance desaparece abruptamente a una cierta temperatura, que se llama temperatura de Curie del material. La temperatura de Curie del hierro es de unos 1043ºK. La temperatura de Curie da una idea de la cantidad de energía que se necesita para romper la ordenación de largo alcance en el material. A 1043ºK, la energía térmica es aproximadamente 0,135 eV en comparación con alrededor de 0,04 eV a temperatura ambiente.

Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo, comportándose como un material puramente paramagnético. Esta temperatura característica lleva el nombre del físico francés Pierre Curie, que la descubrió en 1895.                        

Inducción magnética

La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento: si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.
La ley que explica esta interacción entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magnético es la Ley de Faraday:

En donde Φ_m es el flujo del campo magnético. Por tanto, para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida debe variar el flujo del campo magnético a través de la superficie delimitada por el conductor. De la definición de flujo:

se deduce que hay tres formas de variar el flujo del campo magnético: variar el módulo del campo, la superficie que lo atraviesa o el ángulo que forman ambos.

Campo magnético

 

Los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas, las cuales pueden ser corrientes macroscópicas en cables, o corrientes microscópicas asociadas con los electrones en órbitas atómicas. El campo magnético B se define en función de la fuerza ejercida sobre las cargas móviles en la ley de la fuerza de Lorentz. La interacción del campo magnético con las cargas, nos conduce a numerosas aplicaciones prácticas. Las fuentes de campos magnéticos son esencialmente de naturaleza dipolar, teniendo un polo norte y un polo sur magnéticos. La unidad SI para el campo magnético es el Tesla, que se puede ver desde la parte magnética de la ley de fuerza de Lorentz, F_magnética = qvB, que está compuesta de (Newton x segundo)/(Culombio x metro). El Gauss (1 Tesla = 10.000 Gauss) es una unidad de campo magnético mas pequeña.

Campo magnético creado por una carga puntual

Cuando una carga q se mueve con una cierta velocidad, como se muestra en la siguiente figura, crea un campo magnético en todo el espacio.

Dicho campo viene dado por la expresión:

Donde,

• q es la carga creadora del campo

• v es la velocidad de dicha carga

• r es la distancia desde el punto donde se encuentra la carga hasta el punto Pdonde se está calculando el campo

• u_r es un vector unitario que va desde el punto donde se encuentra la carga hacia el punto donde se calcula el campo

• μ₀ es una constante denominada permeabilidad del espacio libre. Su valor en el Sistema Internacional es μ₀ = 4π 10^-7 T m/A

La dirección y el sentido del campo B vienen dados por la regla de la mano derecha, y su módulo es el módulo del producto vectorial.

                    

Campo magnético terrestre

El campo magnético de la Tierra es similar al de un imán de barra inclinado 11 grados respecto al eje de rotación de la Tierra. El problema con esa semejanza es que la temperatura Curie del hierro es de 700 grados aproximadamente. El núcleo de la Tierra está mas caliente que esa temperatura y por tanto no es magnético.

    Los campos magnéticos rodean a las corrientes eléctricas, de modo que se supone que esas corrientes eléctricas circulantes, en el núcleo fundido de la Tierra, son el origen del campo magnético. Un bucle de corrientegenera un campo similar al de la Tierra. La magnitud del campo magnético medido en la superficie de la Tierra es alrededor de medio Gauss. Las líneas de fuerza entran en la Tierra por el hemisferio norte. La magnitud sobre la superficie de la Tierra varía en el rango de 0,3 a 0,6 Gauss.

  El campo magnético de la Tierra se atribuye a un efecto dinamo de circulación de corriente eléctrica, pero su dirección no es constante. Muestras de rocas de diferentes edades en lugares similares tienen diferentes direcciones de magnetización permanente. Se han informado de evidencias de 171 reversiones del campo magnético, durante los últimos 71 millones años.

Aunque los detalles del efecto dinamo no se conocen, la rotación de la Tierra desempeña un papel en la generación de las corrientes que se suponen que son la fuente del campo magnético. La nave espacial Mariner 2 descubrió que Venus no tiene un campo magnético, aunque su contenido de un núcleo de hierro debe ser similar al de la Tierra. El período de rotación de Venus de 243 días de la Tierra, es demasiado lento para producir el efecto dinamo.La interacción del campo magnético terrestre con las partículas del viento solar crea las condiciones para los fenómenos de auroras cerca de los polos.

 El polo norte de la aguja de una brújula es un polo norte magnético. Es atraído por el polo norte geográfico que es un polo sur magnético (polos opuestos se atraen). 

  

El Efecto Dinamo

La simple pregunta "¿como obtiene la Tierra su campo magnético?" notiene una respuesta simple. Parece claro que la generación del campo magnético está relacionada con la rotación de la Tierra, ya que Venus con una similar composición de núcleo de hierro, pero con un período de rotación de 243 días terrestres, no tiene un campo magnético que pueda medirse. Ciertamente, parece plausible que depende de la rotación del hierro metálico líquido que compone una gran parte del interior de ambos planetas. El modelo del conductor giratorio nos lleva al "efecto dinamo" o "geodinamo", evocando la imagen de un generador eléctrico.