Campo magnético debido al conductor portador de corriente

En física, un imán es un material que induce un campo magnético que atrae o repele otros materiales magnéticos. Un imán siempre está polarizado, con polos llamados norte y sur , y estos dos polos siempre permanecen juntos y no se pueden aislar, y cuando suspendemos libremente un imán, el polo norte magnético apuntará al norte geográfico de la Tierra.

Los imanes se encuentran en refrigeradores, radios y auriculares estéreo, reproductores de cintas de audio y video, juguetes para niños y discos duros y disquetes de impresoras. Ahora, antes de entrar en el campo magnético causado por un bucle de corriente y un solenoide, repasemos algunos términos fundamentales como campo magnético, líneas de campo magnético y solenoide como:

Campo magnético

Un campo magnético es un campo de fuerza formado por dipolos magnéticos y cargas eléctricas en movimiento que ejerce una fuerza sobre otras cargas en movimiento y dipolos magnéticos circundantes. 

Un campo magnético es un campo vectorial que existe en las proximidades de un imán, una corriente eléctrica o un campo eléctrico cambiante y en el que se pueden observar fuerzas magnéticas. Las cargas eléctricas en movimiento y los momentos magnéticos inherentes de las partículas elementales alineados con una propiedad cuántica fundamental conocida como espín generan un campo magnético.

Como tiene tanto magnitud como dirección, el campo magnético es una cantidad vectorial .

Se denota con el símbolo  B.

La unidad SI del campo magnético N s/C o Tesla (T) .

Líneas de campo magnético

• Las líneas de campo magnético son líneas imaginarias alrededor del imán y son bucles cerrados continuos. La tangente a la línea de campo en cualquier punto indica la dirección del campo magnético total en ese instante.
• Como el imán es dipolar, las líneas magnéticas deben tener un origen y también un final. Por lo tanto, comienza desde el polo norte y termina en el polo sur fuera del imán de barra, y se mueve desde el polo sur hasta el polo norte dentro del imán.
• La proximidad de las líneas de campo muestra la fuerza relativa del campo magnético, es decir, las líneas más cercanas muestran un campo magnético más fuerte y viceversa. Las líneas de campo abarrotadas cerca de los polos del imán muestran más fuerza.

Propiedades de las líneas de campo magnético

• Los límites del campo magnético nunca se cruzan.
• La profundidad de las líneas de campo muestra el poder del campo.
• Las líneas de campo magnético a menudo son bucles cerrados.
• Las líneas de campo magnético a menudo se originan o comienzan en el polo norte y terminan en el polo sur.

¿Cómo encontrar la dirección del campo magnético debido al conductor que lleva corriente?

Cuando la corriente pasa a través de un conductor recto que lleva corriente, se produce un campo magnético a su alrededor. Las líneas de campo tienen la forma de círculos concéntricos en cada punto del conductor que lleva corriente. Y podemos encontrar la dirección del campo magnético, en relación con la dirección de la corriente eléctrica a través de un conductor recto, se puede representar usando la regla del pulgar de la mano derecha, también llamada regla del sacacorchos de Maxwell.

Esta regla establece que ‘Si un conductor portador de corriente se sostiene con la mano derecha, manteniendo el pulgar recto y si la dirección de la corriente eléctrica es en la dirección del pulgar, entonces la dirección de enrollamiento de otros dedos mostrará la dirección del campo magnético.’

Campo magnético debido a la corriente a través de un bucle circular

La regla del pulgar de la mano derecha se puede usar para un cable conductor circular y comprende pequeños segmentos rectos. Cada punto del cable que transporta corriente da lugar a un campo magnético a su alrededor que se vuelve cada vez más grande a medida que nos alejamos del cable y, cuando llegamos al centro del bucle circular, los arcos de este círculo aparecerán como una línea recta. línea 

Campo magnético y número de vueltas de la bobina.

La magnitud del campo magnético se resume con el aumento en el número de vueltas de la bobina. Si hay ‘n’ vueltas de la bobina, la magnitud del campo magnético será ‘n’ veces el campo magnético en el caso de una sola vuelta de la bobina.

La fuerza del campo magnético en el centro del bucle (bobina) depende de:

• El radio de la bobina: La fuerza del campo magnético es inversamente proporcional al radio de la bobina. Si el radio aumenta, la fuerza magnética en el centro disminuye.
• El número de vueltas en la bobina: a medida que aumenta el número de vueltas en la bobina, aumenta la fuerza magnética en el centro, porque la corriente en cada vuelta circular tiene la misma dirección, por lo tanto, el campo debido a cada vuelta se suma.
• La fuerza de la corriente que fluye en la bobina: A medida que aumenta la fuerza de la corriente, también aumenta la fuerza de tres campos magnéticos.

¿Qué es un solenoide?

El solenoide es la bobina con muchas vueltas circulares de alambre de cobre aislado envuelto estrechamente en forma de cilindro. Un solenoide que transporta corriente produce un patrón de campo magnético similar al de una barra magnética. Un extremo del solenoide se comporta como el Polo Norte y el otro extremo se comporta como el Polo Sur.

Campo magnético debido a una corriente en un solenoide

Las líneas del campo magnético son paralelas dentro del solenoide, similar a un imán de barra, lo que muestra que el campo magnético es el mismo en todos los puntos dentro del solenoide. El campo magnético producido por un solenoide es similar a un imán de barra. La fuerza del campo magnético es proporcional al número de vueltas y la magnitud de la corriente.

Al producir un fuerte campo magnético dentro del solenoide, los materiales magnéticos pueden magnetizarse. Un imán formado al producir un campo magnético dentro de un solenoide se llama electroimán .

Problemas de muestra

Problema 1: Explique el efecto sobre el campo magnético producido en un punto de una bobina circular portadora de corriente debido a:

(i) aumento en la cantidad de corriente que fluye a través de él,

(ii) aumento en la distancia del punto desde la bobina,

(iii) aumento en el número de vueltas de la bobina. 

Solución:

(i) El campo magnético producido por la bobina circular que transporta corriente es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de la bobina. Por lo tanto, con el aumento de la magnitud del campo magnético, aumentará la corriente que fluye a través de la bobina.

(ii) La magnitud del campo magnético en un punto de una bobina portadora de corriente es inversamente proporcional a la distancia. Por lo tanto, al aumentar la distancia, el campo magnético disminuirá.

(iii) El campo magnético producido depende directamente de la corriente que circula por la bobina circular. Si aumenta el número de vueltas de la bobina, la corriente que fluye en una bobina también aumenta y, por lo tanto, el campo magnético aumentará con el aumento del número de vueltas.

Problema 2: ¿Cómo se comporta un solenoide como un imán?

Solución:

Dado que el solenoide tiene un núcleo de hierro con un cable de cobre aislado a su alrededor, se comporta como un imán. Cuando una corriente fluye a través del solenoide, se produce un campo magnético a su alrededor. Y el campo producido es similar al campo magnético de un imán de barra. 

Problema 3: ¿Defina la regla del pulgar de la mano derecha?

Solución:

Esta regla establece que ‘Si un conductor que transporta corriente se sostiene con la mano derecha, manteniendo el pulgar recto y si la dirección de la corriente eléctrica es en la dirección del pulgar, entonces la dirección de enrollamiento de otros dedos mostrará la dirección del campo magnético. ‘

Problema 4: ¿Por qué dos líneas de campo magnético no pueden cruzarse entre sí?

Solución:

Todas las líneas de campo siguen su propio camino para llegar desde el Polo Norte hasta el Polo Sur. Dos líneas de campo magnético no se cortan entre sí porque si hubiera un punto de intersección, habría dos tangentes para un solo punto, lo que significa que el campo magnético tiene dos direcciones, lo cual no es posible.

Problema 5: ¿Qué son las líneas de campo magnético? Enumera dos propiedades características de estas líneas.

Solución:

Las líneas dibujadas alrededor del campo magnético de cualquier imán se conocen como líneas de campo magnético y también se utilizan para determinar la dirección del campo magnético.

Propiedades de las líneas de fuerza magnéticas:

• Fuera del imán, las líneas de campo se originan en el polo norte y terminan en el polo sur.
• Las líneas de campo magnético son de bucle cerrado continuo.