Fuerza magnética en un Conductor Eléctrico
Introducción
¡Hola!
¿Qué tal?, me da gusto que nos volvamos a encontrar en esta tercera sesión de la UDA de Magnetismo, Ondas y Óptica. Espero que estes disfrutando esta oportunidad de aprendizaje pues te permitirá tener más herramientas para tu éxito personal y profesional.
En esta clase continuaremos con el estudio de la generación de un campo magnético debido al movimiento de las cargas eléctricas, específicamente del movimiento de electrones en un conductor eléctrico recto. Posteriormente se estudiará la generación del campo magnético sobre diferentes arreglos de conductores como lo son las espiras, las bobinas o el solenoide, realizando el cálculo de su magnitud y el sentido que tiene.
Sin más preámbulo, te invito a que estudies con mucho ánimo esta tercera clase virtual.
Desarrollo del tema
Como se estudió anteriormente, cuando una carga eléctrica se mueve se genera un campo magnético, y cuando la carga eléctrica en movimiento se encuentra afectada por un campo magnético externo, se genera una fuerza sobre la carga eléctrica. Lo mismo sucede alrededor de un conductor eléctrico cuando existe un flujo de electrones en él, cuando el cable o el conductor tiene una corriente eléctrica se genera un campo magnético alrededor de él y si se encuentra en una región donde existe un campo magnético externo «B», experimenta una fuerza magnética ocasionada por el campo magnético.
Si el campo magnético «B», es perpendicular al alambre la fuerza se calcula mediante la fórmula:
F = B I L
Si el alambre forma un ángulo «θ» con el campo magnético «B», entonces la fuerza se calcula con la fórmula:
F = B I L sen θ
En donde «B» es el campo magnético externo expresado en Tesla (N/A m), «I» es la intensidad de corriente eléctrica en amperes y «L» es la longitud del conductor en m.
Análisis del sentido de la fuerza magnética producida.
Para determinar el sentido de la fuerza magnética producida sobre un conductor eléctrico, la dirección de la corriente «I», el campo magnético «B» y la fuerza «F» sobre el conductor, se pueden determinar aplicando la llamada regla de la mano derecha como se observa en la figura siguiente:
Fuerzas entre corrientes paralelas.
Cuando dos alambres rectos y paralelos portan corrientes I1 e I2 y están separados por una distancia «d», el uno ejerce una fuerza magnética por unidad de longitud sobre el otro, de magnitud igual a F/L = μ0I1I2/2πd.
Nota: Si la corriente en los alambres va en la misma dirección la fuerza es de atracción.
Campos magnéticos producidos por corrientes
Campo magnético producido por un alambre largo y recto
El campo magnético producido por una corriente en un conductor largo y recto forma círculos concéntricos, como se puede apreciar en la siguiente figura:
La intensidad de campo producido por la corriente en el conductor, está dada por la fórmula:
En donde μ0 es la permeabilidad en el vacío en N/A2, «I» la intensidad de corriente en el conductor en «A», «r» la distancia medida desde el centro del conductor hasta el punto en donde se desea conocer la intensidad de campo magnético en m, y «B» el campo magnético en Tesla.
Campo magnético producido por una espira con corriente.
En la figura 3.5. (a) siguiente se puede observar una espira circular de radio «b», portadora de una corriente «I», la cual produce un campo magnético alrededor de cada punto en los extremos del diámetro. El campo magnético «B» en su centro está dado por la fórmula:
Campo magnético producido por un solenoide.
Si enrollamos un alambre de manera similar a la espiral del cuaderno, lo que obtenemos es un solenoide. El solenoide porta una corriente I y está formado por n espiras por metro de longitud. Los campos magnéticos de cada espira que lo forman se suman para darnos un campo magnético casi uniforme en el centro hueco del mismo.
El campo B producido por el solenoide se calcula con la fórmula:
Torca sobre una bobina de corriente.
Supongamos que la bobina de ancho «w», largo «L» y «N» espiras de la figura, tiene la libertad de rotar alrededor de un eje que pase por sus lados opuestos.
Las fuerzas iguales y opuestas debidas al campo magnético sobre la corriente de la bobina, actuantes en los lados libres de la misma, le provocan un momento de torsión o torca que la hacen girar. Ver figura 8.
El valor del momento de torsión o torca está dado por la fórmula:
En donde «N» es el número de vueltas en la bobina, «I» es la corriente que porta cada espira, «A» es el área de la espira, «B» el campo magnético y «θ» el ángulo entre la normal al plano de la espira y la dirección de B.
El producto «nIA» se llama momento magnético, y se representa con la letra griega «μ».
El momento magnético «μ», es un vector perpendicular al plano de la espira y la torca tiende a alinear este vector con el campo magnético B.
Para ver cómo se produce un campo magnético alrededor de un cable, te invito a realizar la siguiente simulación:
Conclusión
En síntesis, cuando una corriente eléctrica pasa por un conductor se genera un campo magnético alrededor de él, lo cual puede ser utilizado de diferentes maneras si arreglamos el conductor de diferentes formas, ya sea en forma recta, en espira o bobina o en solenoide. Cuando se tienen 2 cables rectos que se encuentran muy cerca entre sí se genera entre ellos una fuerza magnética de repulsión o atracción dependiendo del sentido de la corriente que circula por los cables. La interacción de una bobina y un campo magnético externo genera un torque en la bobina gracias a la creación de la fuerza magnética, siendo éste el principio básico para el funcionamiento del motor o el generador eléctrico.
Llegamos al final de la tercera clase. ¡Felicidades, estás avanzando muy bien! Espero que el tema te haya gustado y despierte tu interés para seguir investigando sobre ello. Recuerda elaborar y mandar la consigna asignada a esta clase, te espero en la cuarta sesión donde aprenderás un tema relevante para tu formación académica.