Una de las secciones más importantes de la física moderna son las interacciones electromagnéticas y todas las definiciones relacionadas con ellas. Es esta interacción la que explica todos los fenómenos eléctricos. La teoría de la electricidad abarca muchas otras áreas, incluida la óptica, ya que la luz es una radiación electromagnética. En este artículo, intentaremos explicar la esencia de la corriente eléctrica y la fuerza magnética en un lenguaje accesible y comprensible.
El magnetismo es la base de las bases
De niños, los adultos nos mostraban varios trucos de magia usando imanes. Estas asombrosas figuritas, que se atraen entre sí y pueden atraer pequeños juguetes, siempre han deleitado los ojos de los niños. ¿Qué son los imanes y cómo actúa la fuerza magnética sobre las piezas de hierro?
Explicando en lenguaje científico, tienes que recurrir a una de las leyes básicas de la física. De acuerdo con la ley de Coulomb y la teoría especial de la relatividad, sobre la carga actúa una cierta fuerza, que es directamente proporcional a la velocidad de la carga misma (v). Esta interacción se llamafuerza magnética.
Características físicas
En general, debe entenderse que cualquier fenómeno magnético ocurre solo cuando las cargas se mueven dentro del conductor o en presencia de corrientes en ellos. Al estudiar los imanes y la definición misma de magnetismo, debe entenderse que están estrechamente relacionados con el fenómeno de la corriente eléctrica. Por lo tanto, comprendamos la esencia de la corriente eléctrica.
La fuerza eléctrica es la fuerza que actúa entre un electrón y un protón. Es numéricamente mucho mayor que el valor de la fuerza gravitacional. Se genera por una carga eléctrica, o mejor dicho, por su movimiento en el interior del conductor. Las cargas, a su vez, son de dos tipos: positivas y negativas. Como sabes, las partículas cargadas positivamente son atraídas por las cargadas negativamente. Sin embargo, las cargas del mismo signo tienden a repelerse entre sí.
Entonces, cuando estas mismas cargas comienzan a moverse en el conductor, surge una corriente eléctrica en él, que se explica como la proporción de la cantidad de carga que fluye a través del conductor en 1 segundo. La fuerza que actúa sobre un conductor con corriente en un campo magnético se llama fuerza de amperios y se encuentra de acuerdo con la regla de la "mano izquierda".
Datos empíricos
Puede encontrar interacciones magnéticas en la vida cotidiana cuando se trata de imanes permanentes, inductores, relés o motores eléctricos. Cada uno de ellos tiene un campo magnético que es invisible al ojo. Sólo puede ser rastreado por su acción, queafecta partículas en movimiento y cuerpos magnetizados.
La fuerza que actúa sobre un conductor que lleva corriente en un campo magnético fue estudiada y descrita por el físico francés Ampère. No solo esta fuerza lleva su nombre, sino también la magnitud de la fuerza actual. En la escuela, las leyes de Ampère se definen como las reglas de la mano "izquierda" y "derecha".
Características del campo magnético
Debe entenderse que un campo magnético siempre ocurre no solo alrededor de las fuentes de corriente eléctrica, sino también alrededor de los imanes. Suele representarse con líneas de fuerza magnéticas. Gráficamente, parece como si una hoja de papel se colocara en un imán y se vertieran limaduras de hierro encima. Se verán exactamente como en la imagen de abajo.
En muchos libros populares sobre física, la fuerza magnética se introduce como resultado de observaciones experimentales. Se considera una fuerza fundamental separada de la naturaleza. Tal idea es errónea; de hecho, la existencia de una fuerza magnética se sigue del principio de relatividad. Su ausencia violaría este principio.
La fuerza magnética no tiene nada de fundamental; es solo una consecuencia relativista de la ley de Coulomb.
Uso de imanes
Según la leyenda, en el siglo I d. C. en la isla de Magnesia, los antiguos griegos descubrieron piedras inusuales que tenían propiedades asombrosas. Atraían hacia sí cualquier cosa hecha de hierro o acero. Los griegos comenzaron a sacarlos de la isla y estudiar sus propiedades. Y cuando las piedras cayeron en manos de la callemagos, se han convertido en ayudantes indispensables en todas sus actuaciones. Usando los poderes de las piedras magnéticas, pudieron crear un espectáculo fantástico que atrajo a muchos espectadores.
A medida que las piedras se extendían por todas partes del mundo, comenzaron a circular leyendas y diversos mitos sobre ellas. Una vez que las piedras terminaron en China, donde recibieron el nombre de la isla en la que se encontraron. Los imanes se convirtieron en objeto de estudio de todos los grandes científicos de la época. Se ha notado que si coloca una piedra de hierro magnética en un flotador de madera, la fija y luego la gira, intentará volver a su posición original. En pocas palabras, la fuerza magnética que actúa sobre él girará el mineral de hierro de cierta manera.
Usando esta propiedad de los imanes, los científicos inventaron la brújula. Sobre una forma redonda de madera o corcho, se dibujaron dos polos principales y se instaló una pequeña aguja magnética. Este diseño se sumergió en un pequeño recipiente lleno de agua. Con el tiempo, los modelos de brújula han mejorado y se han vuelto más precisos. Los utilizan no solo los marineros, sino también los turistas comunes a quienes les gusta explorar las zonas desérticas y montañosas.
Experiencias interesantes
El científico Hans Oersted dedicó casi toda su vida a la electricidad y los imanes. Un día, durante una conferencia en la universidad, les mostró a sus alumnos la siguiente experiencia. Pasó una corriente a través de un conductor de cobre ordinario, después de un tiempo el conductor se calentó y comenzó a doblarse. fue un fenomeno termicocorriente eléctrica. Los estudiantes continuaron con estos experimentos y uno de ellos notó que la corriente eléctrica tiene otra propiedad interesante. Cuando fluyó corriente en el conductor, la flecha de la brújula ubicada cerca comenzó a desviarse poco a poco. Al estudiar este fenómeno con más detalle, el científico descubrió la llamada fuerza que actúa sobre un conductor en un campo magnético.
Corrientes de amperios en imanes
Los científicos han intentado encontrar una carga magnética, pero no se pudo encontrar un polo magnético aislado. Esto se explica por el hecho de que, a diferencia de las eléctricas, las cargas magnéticas no existen. Después de todo, de lo contrario sería posible separar una unidad de carga simplemente rompiendo uno de los extremos del imán. Sin embargo, esto crea un nuevo polo opuesto en el otro extremo.
De hecho, todo imán es un solenoide, por cuya superficie circulan corrientes intraatómicas, denominadas corrientes de Ampère. Resulta que el imán se puede considerar como una varilla metálica por la que circula una corriente continua. Por esta razón, la introducción de un núcleo de hierro en el solenoide aumenta considerablemente el campo magnético.
Energía magnética o EMF
Como cualquier fenómeno físico, un campo magnético tiene la energía necesaria para mover una carga. Existe el concepto de FEM (fuerza electromotriz), se define como el trabajo para mover una unidad de carga desde el punto A0 hasta el punto A1.
La CEM se describe mediante las leyes de Faraday, que se aplican en tres estados físicos diferentessituaciones:
- El circuito conducido se mueve en el campo magnético uniforme generado. En este caso, hablan de fem magnética.
- El contorno está en reposo, pero la fuente del campo magnético se está moviendo. Esto ya es un fenómeno de fem eléctrica.
- Finalmente, el circuito y la fuente del campo magnético están estacionarios, pero la corriente que crea el campo magnético está cambiando.
Numéricamente, la FEM según la fórmula de Faraday es: FEM=W/q.
En consecuencia, la fuerza electromotriz no es una fuerza en sentido literal, ya que se mide en Julios por Coulomb o en Voltios. Resulta que representa la energía que se imparte al electrón de conducción al pasar por alto el circuito. Cada vez que realiza la siguiente ronda del marco giratorio del generador, el electrón adquiere una energía numéricamente igual a la FEM. Esta energía adicional no solo se puede transferir durante las colisiones de átomos en la cadena exterior, sino que también se puede liberar en forma de calor Joule.
Fuerza de Lorentz e imanes
La fuerza que actúa sobre la corriente en un campo magnético está determinada por la siguiente fórmula: q|v||B|sin a (el producto de la carga del campo magnético, los módulos de velocidad de la misma partícula, el vector de inducción de campo y el seno del ángulo entre sus direcciones). La fuerza que actúa sobre una unidad de carga en movimiento en un campo magnético se llama fuerza de Lorentz. Un hecho interesante es que la tercera ley de Newton no es válida para esta fuerza. Obedece solo la ley de conservación del momento, por lo que todos los problemas para encontrar la fuerza de Lorentz deben resolverse en función de ella. Averigüemos cómopuedes determinar la fuerza del campo magnético.
Problemas y ejemplos de soluciones
Para encontrar la fuerza que surge alrededor de un conductor con corriente, necesitas conocer varias cantidades: la carga, su velocidad y el valor de la inducción del campo magnético emergente. El siguiente problema te ayudará a comprender cómo calcular la fuerza de Lorentz.
Determina la fuerza que actúa sobre un protón que se mueve a una velocidad de 10 mm/s en un campo magnético con una inducción de 0.2 C (el ángulo entre ellos es 90o, ya que una partícula cargada se mueve perpendicularmente a las líneas de inducción). La solución se reduce a encontrar la carga. Mirando la tabla de cargas, encontramos que el protón tiene una carga de 1.610-19 Cl. A continuación, calculamos la fuerza usando la fórmula: 1, 610-19100, 21 (el seno del ángulo recto es 1)=3, 2 10- 19 Newton.
