En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Cómo puede la electricidad producir un imán?
Los imanes no son lo único que produce campos magnéticos. Al final de esta lección, deberías poder encontrar la dirección del campo magnético alrededor de un cable o de una bobina con la regla de agarre de la mano derecha y explicar cómo hacer más intenso un electroimán.
El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
El descubrimiento de Oersted
- La corriente en un cable hace girar una brújula
- Las cargas en movimiento producen campos magnéticos
- Sin corriente, no hay campo
En 1820, Hans Christian Oersted notó que la aguja de una brújula giraba cuando encendía la corriente en un cable cercano. Cuando apagaba la corriente, la aguja regresaba a apuntar al norte. Esto mostró que una corriente eléctrica produce un campo magnético. De hecho, cualquier carga en movimiento produce un campo magnético. Las cargas que están en reposo no lo hacen.
Campo alrededor de un cable
- Las líneas de campo son círculos alrededor del cable
- Más cerca del cable: más intenso
- Más corriente: más intenso
El campo magnético alrededor de un cable recto y largo forma círculos con centro en el cable. Aquí el cable apunta directamente hacia afuera de la página, así que lo vemos de frente, y la corriente viene hacia ti. El campo es más intenso cerca del cable y se debilita al alejarse, y por eso los círculos se separan. Más corriente produce un campo más intenso.
Puntos y cruces
- Punto: sale de la página, hacia ti
- Cruz: entra a la página, se aleja de ti
- Se usan para la corriente y para el campo
Los campos magnéticos y las corrientes a menudo apuntan directamente hacia adentro o hacia afuera de la página, lo que es difícil de dibujar. Los físicos usan un código sencillo. Un punto significa que sale de la página, hacia ti, como la punta de una flecha que vuela hacia ti. Una cruz (×) significa que entra a la página, alejándose de ti, como las plumas de la cola de una flecha que se aleja. Una cuadrícula de puntos muestra un campo magnético que sale de la página. Una cuadrícula de cruces muestra un campo que entra a la página.
Regla de agarre de la mano derecha
- El pulgar apunta en la dirección de la corriente I
- Los dedos se curvan en el sentido en que B da vueltas
- I = corriente convencional (flujo +)
Para encontrar en qué sentido gira el campo, usa la regla de agarre de la mano derecha. Agarra el cable con la mano derecha de modo que tu pulgar apunte en la dirección de la corriente. Tus dedos se curvan alrededor del cable en la dirección del campo magnético. En esta unidad, la corriente siempre significa corriente convencional: la dirección en que se moverían las cargas positivas, del lado + de una batería al lado −. (En realidad los electrones se mueven en sentido contrario, pero todas las reglas de la mano derecha de aquí usan la corriente convencional.)
Cable en el plano de la página
- El campo atraviesa la página
- Corriente hacia arriba: × a la derecha
- Corriente hacia arriba: • a la izquierda
Cuando un cable está apoyado en el plano de la página, su campo circular atraviesa la página: sale de la página de un lado del cable y vuelve a entrar a la página del otro lado. Para una corriente que apunta hacia arriba en la página, la regla de agarre de la mano derecha muestra que el campo entra a la página (×) a la derecha del cable y sale de la página (•) a la izquierda.
Campo de una bobina
- Bobina: muchas vueltas de cable
- Adentro, los campos de las vueltas se suman
- Una bobina se comporta como un imán de barra
Si enrollas un cable en forma de bobina (también llamada solenoide), los campos de todas las vueltas se suman en su interior. Esta imagen corta la bobina por la mitad: los cables de arriba conducen corriente que sale de la página (puntos) y los cables de abajo conducen corriente que entra a la página (cruces). Dentro de la bobina, el campo es intenso y apunta a lo largo de ella. Afuera, las líneas de campo dan la vuelta de un extremo al otro, igual que en un imán de barra. El extremo por donde salen las líneas de campo es el polo N. Para encontrarlo, curva los dedos de tu mano derecha en el sentido en que la corriente da vueltas por las espiras y tu pulgar apuntará al extremo N.
Electroimanes
- Bobina enrollada alrededor de un núcleo de hierro
- Con corriente: imán. Sin corriente: no
- Se usan en grúas, bocinas y timbres
Un electroimán es una bobina de cable enrollada alrededor de un núcleo de hierro, como un clavo. Cuando fluye corriente, la bobina produce un campo magnético y los dominios del hierro se alinean con él, lo que hace el campo mucho más intenso. Cuando la corriente se detiene, el campo desaparece. Como se puede encender y apagar, los electroimanes se usan en las grúas de los deshuesaderos, las bocinas, los timbres, los equipos de resonancia magnética y los motores eléctricos.
Un campo más intenso
B ∝ N × I
- B = intensidad del campo magnético
- N = número de vueltas (espiras) de la bobina
- I = corriente, en amperes (A)
Para una bobina de cierta longitud, el campo es proporcional al número de vueltas por la corriente. Si duplicas la corriente, el campo se duplica. Si duplicas las vueltas, el campo se duplica. Si haces las dos cosas, el campo es cuatro veces más intenso. Agregar un núcleo de hierro multiplica el campo muchas veces, porque los dominios del hierro se alinean y suman sus propios campos.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Campo junto a un cable
Un cable recto y largo conduce corriente hacia la parte de abajo de la página. El campo magnético en el punto P, a la izquierda del cable, ¿entra a la página o sale de ella?
Mostrar la solución
- Regla: Regla de agarre de la mano derecha: el pulgar sigue la corriente y los dedos se curvan en la dirección del campo.
- Pulgar: Apunta tu pulgar derecho hacia abajo en la página, a lo largo de I.
- Dedos: Tus dedos salen de la página a la derecha, pasan sobre el cable y bajan hacia adentro de la página a la izquierda.
- Respuesta: El campo en P entra a la página (×).
Ejemplo 2: Corriente que sale de la página
Un cable conduce corriente directamente hacia afuera de la página. ¿Hacia dónde apunta el campo magnético en el punto P, justo arriba del cable?
Mostrar la solución
- Pulgar: Apunta tu pulgar derecho hacia afuera de la página, hacia ti, a lo largo de la corriente.
- Dedos: Tus dedos se curvan alrededor del cable en sentido contrario a las manecillas del reloj.
- En P: P está en la parte de arriba de un círculo en sentido contrario a las manecillas del reloj. Al avanzar en ese sentido, la parte de arriba del círculo se mueve hacia la izquierda.
- Respuesta: El campo en P apunta hacia la izquierda.
Ejemplo 3: ¿Cuál extremo es el norte?
Esta bobina en corte tiene cruces (corriente que entra a la página) en la fila de arriba y puntos (corriente que sale de la página) en la fila de abajo. ¿Cuál extremo de la bobina es su polo N?
Mostrar la solución
- Cable de arriba: Corriente que entra a la página: apunta tu pulgar derecho hacia adentro de la página. Tus dedos se curvan en el sentido de las manecillas del reloj, así que justo debajo del cable de arriba (dentro de la bobina) el campo apunta hacia la izquierda.
- Cable de abajo: Corriente que sale de la página: apunta tu pulgar hacia ti. Tus dedos se curvan en sentido contrario a las manecillas del reloj, así que justo arriba del cable de abajo (dentro de la bobina) el campo también apunta hacia la izquierda.
- Campo en el interior: Las dos filas coinciden: el campo dentro de la bobina apunta hacia la izquierda.
- Respuesta: Las líneas de campo salen por el extremo izquierdo, así que el extremo izquierdo es el polo N.
Ejemplo 4: Un electroimán más intenso
Un electroimán tiene 100 vueltas de cable que conducen 2.0 A. Lo vuelves a enrollar con 300 vueltas y subes la corriente a 4.0 A. ¿Cuántas veces más intenso es su campo magnético?
Mostrar la solución
- Datos: Antes: N = 100, I = 2.0 A. Después: N = 300, I = 4.0 A.
- Relación: B ∝ N × I, así que compara N × I antes y después.
- Antes: 100 × 2.0 = 200
- Después: 300 × 4.0 = 1,200
- Respuesta: 1,200 ÷ 200 = 6.0 veces más intenso
Otra forma de verlo: al triplicar las vueltas se triplica el campo, y al duplicar la corriente se duplica otra vez, así que 3 × 2 = 6.
Práctica
Usa la regla de agarre de la mano derecha para encontrar el campo alrededor de cables rectos y bobinas, lee los símbolos de puntos y cruces, y usa B ∝ N × I para comparar electroimanes. Primero inténtalo por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas. Los PDF están en inglés.
- Hoja de práctica de Campos magnéticos producidos por corrientes (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas de la hoja de práctica de Campos magnéticos producidos por corrientes (PDF) (en inglés)
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- Las cargas en movimiento (corrientes) producen campos magnéticos
- Regla de agarre: pulgar = I, dedos curvados = B
- • sale de la página, × entra a la página
- Bobina = electroimán: B ∝ N × I, el núcleo de hierro ayuda
De vuelta a la pregunta esencial: la electricidad produce un imán porque cualquier carga en movimiento, incluida una corriente eléctrica, crea un campo magnético. El campo da vueltas alrededor de un cable recto, y una bobina de cable se comporta como un imán de barra, que es más intenso con más corriente, más vueltas y un núcleo de hierro. En la siguiente lección, daremos la vuelta a la idea y veremos cómo un campo magnético empuja a las cargas en movimiento.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia las siguientes expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS, por sus siglas en inglés):
- HS-PS2-5: Planear y llevar a cabo una investigación para proporcionar evidencia de que una corriente eléctrica puede producir un campo magnético y de que un campo magnético cambiante puede producir una corriente eléctrica.
Ideas disciplinarias básicas: PS2.B Tipos de interacciones