¿Qué es la Fuerza Electromagnética o Electromagnetismo?

La Fuerza Electromagnética o también conocido Electromagnetismo es responsable de la mayoría de las interacciones que vemos en nuestro entorno actual, la electricidad también es capaz de producir un campo magnético. ¡Conozca más de este tema aquí!

Fuerza Electromagnética

Electromagnetismo

El electromagnetismo es un proceso en el que se origina un campo atractivo al meter la corriente en el conducto, cuando un conductor tiene carga eléctrica, genera líneas magnéticas de fuerza del conductor.

Por ejemplo, si la corriente, es decir, las cargas positivas que se mueven en un cable, produce el campo magnético a lo largo del cable y la dirección de las líneas magnéticas y la fuerza se puede determinar utilizando la Regla de la mano derecha. 

Fuerza Electromagnética

La Fuerza Electromagnética es transportada por el fotón y es responsable de la estructura atómica, las reacciones químicas, las fuerzas atractivas y repulsivas asociadas con la carga eléctrica y el magnetismo y todos los demás fenómenos electromagnéticos, al igual que la gravedad, la Fuerza Electromagnética tiene un rango infinito y obedece a la ley del cuadrado inverso. 

La Fuerza Electromagnética es más frágil que la fuerza nuclear enérgica, es importante destacar que es más fuerte que la gravedad, muchos Científicos importantes opinan que la Fuerza Electromagnética y la fuerza nuclear endeble son ambos aspectos de una sola fuerza llamada fuerza de electro depresión.

Antes de la invención del electromagnetismo, las personas o los científicos solían pensar que la electricidad y el magnetismo son dos temas diferentes, la opinión cambió después de que James Clerk Maxwell publicara un tratado sobre electricidad y magnetismo en el año 1873.

Fuerza Electromagnética de atracción

La publicación afirma que la interacción de las cargas positivas y negativas está mediada por una fuerza, esta observación sentó las bases para el electromagnetismo, más tarde, muchos científicos como Michael Faraday, Oliver Heaviside y Heinrich Hertz contribuyeron con sus ideas en electromagnetismo.

Imán

Los imanes son rocas o metales que crean un campo invisible a su alrededor, este campo atrae otros imanes y ciertos metales, la presencia de un campo magnético es la razón por la cual puede cubrir una puerta metálica de refrigerador con imanes.

Un campo magnético se une por los lados de los extremos de los imanes, estos extremos se conocen como polos, todos los imanes poseen dos polos, un polo norte y un polo sur, puedes apreciar la fuerza magnética si mantienes dos imanes para que sus polos se encuentren junto uno del otro.

Los imanes están formados por millones de moléculas unidas en grupos llamados dominios, cada dominio se comporta como un imán mineral que tiene un polo norte y sur, con la misma orientación de los dominios, su fuerza se combina, formando un imán más grande.

El hierro tiene muchos dominios que pueden orientarse en una dirección, es decir, magnetizar, los dominios en plástico, caucho, madera y otros materiales están en un estado desordenado, sus campos magnéticos son multidireccionales y por lo tanto, estos materiales no pueden magnetizarse.

Los antiguos griegos se encontraban entre las primeras personas en descubrir el hierro, para ellos, el magnetismo puede haber parecido mágico, después de todo, no se puede ver un campo magnético, pero sus efectos se pueden sentir.

Durante el siglo pasado, los científicos han aprendido que el secreto de un imán radica en su estructura atómica, todos los objetos en el universo están constituidos por átomos, cada átomo tiene un núcleo en su centro, partículas la cuales se conocen como electrones orbitan el núcleo.

Este proceso crea campos magnéticos alrededor de los electrones, el magnetismo ocurre cuando los electrones giran en la misma dirección, a medida que se suman todas las fuerzas electromagnéticas de los electrones, hacen del objeto un gran imán.

Historia del magnetismo

El magnetismo se ha estudiado desde la antigüedad y en los últimos dos siglos se ha convertido en la base de la civilización moderna, la humanidad acumula conocimiento sobre fenómenos magnéticos durante al menos tres mil quinientos años (las primeras observaciones de fuerzas eléctricas tuvieron lugar un milenio después).

Hace cuatrocientos años, en los albores de la formación de la física, las propiedades magnéticas de las sustancias se separaron de las eléctricas, después de lo cual, durante mucho tiempo, ambas se estudiaron de forma independiente, por lo tanto, se creó una base experimental y teórica que, a mediados del siglo XIX, se convirtió en la base de una teoría unificada de los fenómenos electromagnéticos.

Fuerza Electromagnética electricidad

Lo más probable es que las propiedades inusuales de la magnetita mineral natural se conocieran en Mesopotamia ya en la Edad del Bronce y después de la aparición de la metalurgia del hierro, fue imposible no darse cuenta de que la magnetita atrae productos de hierro.

El motivo de esta atracción ya fue pensado por el padre de la filosofía griega, Tales de Mileto (alrededor de 640-546 a.C), lo que lo explicaba por la animación especial de este mineral. Thales también sabía que el ámbar frotado en la lana atrae hojas secas y pequeñas astillas, y por lo tanto lo dotó de fuerza espiritual.

El poeta griego Nikander mencionó al pastor Magnis, que apareció junto a la roca, que atrajo la punta de hierro de su bastón hacia él, pero esto, con toda probabilidad, es simplemente una hermosa leyenda.

Más tarde, los pensadores griegos hablaron sobre pares invisibles que envuelven magnetita y hierro y los atraen entre sí, no es sorprendente que la palabra imán en sí también tenga raíces griegas.

Hay diversa información sobre la primera mención de imanes, generalmente considerada en la historia del mundo antiguo en el contexto de una brújula o cultos religiosos, según algunas estimaciones, la magnetita o el hierro magnético se descubrieron por primera vez en China hace cuatro mil años antes de Cristo.

Se observa que los investigadores occidentales tienden a dar prioridad al descubrimiento del magnetismo a los antiguos griegos, las primeras menciones en el uso de materiales magnéticos se remontan al tercer milenio antes de Cristo cuando el legendario emperador chino Huang-di usó una brújula durante la batalla.

Sin embargo, según otra versión, utilizó los llamados carros apuntando hacia el sur, marineros chinos del final del segundo milenio antes de Cristo, utilizaba una brújula para la navegación marina. 

Durante la Edad Media, la acumulación de nuevos conocimientos y teorías sobre la naturaleza del magnetismo estaba prácticamente ausente, solo los monjes hicieron algunas suposiciones teológicas, pero en el arte popular de varios países, a veces se mencionaban montañas o islas magnéticas que pueden atraer todos los objetos metálicos.

Según una de las leyendas europeas, un joyero pobre, Flavio Joya, inventó una brújula magnética para casarse con la hija de un rico pescador, Domenico, el padre no se deseaba un yerno así y estableció la condición para aprender a nadar en línea recta en la niebla por la noche.

El ingenioso joyero notó que el corcho con una piedra magnética sobre él, colocado en una taza de agua, siempre orientado en una dirección, y logró completar una tarea difícil, de hecho, el joyero fue el secretario papal Flavio Biondo, quien en 1450 describió el conocimiento de los habitantes de Amalfi sobre la brújula.

El campo magnético y flujo magnético

Estos campos magnéticos son campos vectoriales en la población de imanes, corrientes eléctricas o campos eléctricos inconstante, en el que las fuerzas magnéticas son visibles, un campo magnético se origina al agitar cargas eléctricas y períodos magnéticos íntimos de partículas básicas relacionadas con una pertenencia cuántica esencial conocida como espín.

El campo magnético y el campo eléctrico se encuentran conectados entre sí y son dispositivos de la potencia electromagnética, una de las cuatro Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza.

El problema es que no podemos detectar el campo magnético con nuestros propios sentidos, por lo que debemos usar una brújula para ayudarnos a «ver» el campo, una brújula no es más que un pequeño imán suspendido de modo que puede girar libremente en respuesta a un campo magnético.

Como todos los imanes, la aguja tiene un polo norte y un polo sur que son atraídos y repelidos por los polos de otros imanes, cuando la brújula se coloca en un campo magnético fuerte, las fuerzas de atracción y repulsión giran la aguja hasta que se alinea perfectamente con la dirección del campo.

Para nuestro experimento, vamos a imaginar que tenemos un imán de barra del tamaño de un autobús escolar sentado en un espacio abierto. ¡Esto debería ayudarlo a visualizar caminar alrededor del imán y convencerlo de que estamos tratando con un campo magnético muy fuerte! Con la brújula en la mano, comenzaremos al lado del polo norte y observaremos la orientación de la aguja.

Lo que veríamos es que la aguja apunta directamente hacia afuera y lejos del imán, si comenzáramos a caminar en la dirección que apuntaba la aguja, encontraríamos que a medida que nos alejáramos del poste, la aguja comenzaría a girar hacia un lado, continuando con la aguja, eventualmente caminaríamos alrededor del imán y llegaríamos al polo sur, aquí, la aguja apuntaría directamente al imán.

El flujo magnético se define como el número de líneas de campo magnético que pasan por de una superficie cerrada, debido a la medida del campo magnético total que pasa a través de un área de superficie dada, aquí, el área bajo consideración puede ser de cualquier tamaño y bajo cualquier orientación con respecto a la dirección del campo magnético.

Las grandes ideas de Faraday radicaban en encontrar una relación matemática simple para explicar la serie de experimentos que realizó sobre inducción electromagnética.

Faraday hizo numerosas contribuciones a la ciencia y es ampliamente conocido como el mayor científico experimental del siglo XIX, antes de comenzar a apreciar su trabajo, comprendamos el concepto de flujo magnético que juega un papel importante en la inducción electromagnética.

Para calcular el flujo magnético, consideramos la imagen de línea de campo de un imán o el sistema de imanes, como se muestra en la imagen a continuación, el flujo magnético a través de un plano del área dada por A que se coloca en un campo magnético uniforme de magnitud dado por B se da como el producto escalar del campo magnético y el área A.

Las propiedades magnéticas de la materia

Toda la materia exhibe propiedades magnéticas cuando se coloca en un campo magnético externo, incluso las sustancias como el cobre y el aluminio que normalmente no se consideran con propiedades magnéticas se ven afectadas por la presencia de un campo magnético como el producido por cualquiera de los polos de un imán de barra.

Dependiendo de si hay una atracción o repulsión por el polo de un imán, la materia se clasifica como paramagnético o diamagnético, respectivamente, algunos materiales, especialmente el hierro, muestran una gran atracción hacia el poste de un imán de barra permanente; materiales de este tipo se llaman ferromagnético.

En 1845, Faraday se convirtió en el primero en clasificar las sustancias como diamagnéticas o paramagnéticas, basó esta clasificación en su observación de la fuerza ejercida sobre las sustancias en un campo magnético no homogéneo.

Las sustancias para las cuales la susceptibilidad magnética es positiva se clasifican como paramagnéticas, en algunos casos (incluida la mayoría de los metales), la susceptibilidad es independiente de temperatura, pero en la mayoría de los compuestos es fuertemente dependiente de la temperatura, aumentando a medida que baja la temperatura.

Por debajo de esta temperatura, el material exhibe magnetización espontánea, es decir, se vuelve ferromagnético, sus propiedades magnéticas son muy diferentes de las de la fase paramagnética o de alta temperatura.

En particular, aunque su momento magnético se puede cambiar mediante la aplicación de un campo magnético, el valor del momento alcanzado en un campo dado no siempre es el mismo, depende del tratamiento magnético, térmico y mecánico previo de la muestra.

En materia de momentos dipolares magnéticos libres, la orientación de los momentos es normalmente aleatoria y como resultado, la sustancia no tiene magnetización neta, cuando se aplica un campo magnético, los dipolos ya no están completamente orientados al azar; más dipolos apuntan con el campo que contra el campo.

Cuando esto resulta en una magnetización positiva neta en la dirección del campo, la sustancia tiene una susceptibilidad positiva y se clasifica como paramagnética, hay una tercera categoría de materia en la que los momentos intrínsecos normalmente no están presentes, sino que aparecen bajo la influencia de un campo magnético externo.

Curva de histéresis magnética

El fenómeno de la densidad de flujo B rezagada detrás de la fuerza de magnetización H en un material magnético se conoce como histéresis magnética, la palabra histéresis se deriva de la palabra griega Hysterein que significa quedarse atrás.

En otras palabras, cuando el material magnético se magnetiza primero en una dirección y luego en la otra dirección, completando un ciclo de magnetización, se descubre que la densidad de flujo B va por detrás de la fuerza de magnetización aplicada H.

https://youtu.be/BL4F-Afugio

Existen diversos tipos de materiales magnéticos, como los materiales paramagnéticos, diamagnéticos, ferromagnéticos, ferromagnéticos y antiferromagnéticos, los materiales ferromagnéticos son los principales responsables de la generación del ciclo de histéresis.

Cuando el campo magnético no se aplica, el material ferromagnético se comporta como un material paramagnético, esto significa que en la etapa inicial el dipolo del material ferromagnético no está alineado, se colocan al azar, tan pronto como el campo magnético se aplica al material ferromagnético, sus momentos dipolares se alinean en una dirección particular como se muestra en la figura anterior, lo que resulta en un campo magnético mucho más fuerte.

El campo magnético creado por una corriente eléctrica

Una corriente eléctrica en un cable largo y recto produce un campo magnético cuyas líneas de campo están formadas por círculos con centro en el cable, este campo magnético puede detectarse colocando una brújula magnética cerca del cable, la dirección del campo magnético B puede determinarse mediante la regla de la mano derecha. 

Para producir un campo magnético más fuerte utilizando corrientes eléctricas, se agrupan varios bucles para formar lo que se llama un solenoide, un solenoide no solo produce un fuerte campo magnético, sino también uno uniforme con un polo norte y un polo sur similares a los imanes.

Los solenoides tienen muchas aplicaciones, el campo magnético producido por los solenoides puede controlarse controlando la corriente en el solenoide, la corriente en el solenoide puede activarse o desactivarse y también al aumentar o disminuir la corriente eléctrica en el solenoide, podemos controlar la intensidad del campo magnético producido. 

La Fuerza Electromagnética, también llamada fuerza de Lorentz, explica cómo interactúan las partículas cargadas estacionarias y en movimiento, se llama Fuerza Electromagnética porque incluye la fuerza eléctrica anteriormente distinta y la fuerza magnética, las fuerzas magnéticas y las fuerzas eléctricas son realmente la misma fuerza fundamental, la Fuerza Electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales.

Einstein desarrolló su teoría de la relatividad a partir de la idea de que si el observador se mueve con las partículas cargadas, los campos magnéticos se transforman en campos eléctricos y viceversa, un caso especial de la Fuerza Electromagnética, cuando todas las cargas son cargas puntuales (o pueden dividirse en cargas puntuales), es la ley de Coulomb. 

Faraday-Lenz, la inducción electromagnética 

La ley de inducción electromagnética de Lenz instituye que la orientación de la corriente inducida en un conductor por un campo magnético inconstante, es tal que el campo magnético fundado por la corriente provocada se enfrenta al campo magnético variable inicial que lo produjo, la dirección de este flujo de corriente viene dada por la regla de la mano derecha de Fleming.

Esto puede ser difícil de entender al principio, así que veamos un problema de ejemplo, recuerde que cuando un campo magnético induce una corriente, el campo magnético que produce esta corriente inducida creará su propio campo magnético, este campo magnético siempre será tal que se oponga al campo magnético que lo creó originalmente.

Cuando el campo magnético «B» está minimizándose, el campo magnético inducido retomara la oposición a él, pero esta vez «en oposición» significa que está actuando para aumentar el campo, ya que se opone a la tasa de cambio decreciente.

Fuerza Electromagnética

La ley de Lenz se basa en la ley de inducción de Faraday, la ley de Faraday nos dice que un campo magnético cambiante inducirá una corriente en un conductor, la ley de Lenz nos dice la dirección de esta corriente inducida, que se opone al campo magnético cambiante inicial que la produjo, esto se indica en la fórmula de la ley de Faraday por el signo negativo.

La inducción electromagnética en una bobina

Uno de los experimentos realizados por Faraday en ese año importante presentó un imán permanente y un galvanómetro conectado a una bobina de alambre enrollada alrededor de un cilindro de papel, similar a los ilustrados en este tutorial.  

Para simular el experimento de Faraday, arrastre el imán de barra hacia adelante y hacia atrás dentro de la bobina, observe que el voltímetro conectado a la bobina solo indica la presencia de una corriente cuando el imán está realmente en movimiento, y que su aguja se desvía en una dirección cuando el imán se mueve hacia la bobina y en la dirección opuesta cuando se arrastra la bobina.

También tenga en cuenta las líneas de campo magnético, representado en azul, que emana del imán, y cómo cambia la dirección de la corriente dependiendo de la forma en que se mueve el imán.

Como puede observar, cuando el extremo norte del imán ingresa a la bobina, se induce una corriente que viaja alrededor de la bobina en sentido anti horario, cuando se saca el imán de la bobina, la dirección se invierte en sentido horario. 

Observe también que la corriente producida es más fuerte cuando el imán se mueve rápidamente en lugar de gradualmente, ajuste el control deslizante de número de vueltas y mueva el imán dentro y fuera de la bobina nuevamente para determinar la relación entre las vueltas de alambre en la bobina y la corriente inducida en esa bobina.

Como lo indica el voltímetro, se puede inducir un voltaje mayor en bobinas hechas de un mayor número de vueltas de cable, use el botón azul del imán para ver cómo cambian las cosas cuando el extremo sur del imán, que exhibe diferentes líneas de campo, interactúa con las bobinas de alambre.

En esta demostración de inducción electromagnética, la energía mecánica del imán en movimiento se convierte en electricidad, porque un campo magnético en movimiento, que ingresa a un conductor, induce el flujo de corriente en el conductor, lo que también sucede es que la corriente que ha sido inducida en el cable, a su vez, genera otro campo magnético alrededor del cable.

Corrientes de Foucault

Las corrientes de Foucault son corrientes que pasan por conductores como torbellinos en una corriente, se provocan cambiando los campos magnéticos y manan en bucles cerrados, perpendiculares al plano del campo magnético.

Se pueden crear cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético, o cuando el campo magnético que rodea a un conductor estacionario varía, es decir, cualquier cosa que provoque que el conductor experimente un cambio en la intensidad o dirección de un campo magnético puede producir corrientes de Foucault. 

El tamaño de la corriente es conforme al tamaño del campo magnético, la zona del bucle y la velocidad de cambio del flujo magnético, e contrariamente proporcional a la resistividad del conductor, al igual que cualquier corriente que destila a través de un conductor, una corriente parásita producirá su propio campo magnético.

La Ley de Lenz establece que la dirección de la corriente inducida magnéticamente, como una corriente de Foucault, será tal que el campo magnético producido se opondrá al cambio de campo magnético que lo creó.

Esta resistencia establecida por los campos magnéticos opuestos se estalla en el frenado por corrientes parásitas, que se utiliza normalmente como un procedimiento para atajar las herramientas eléctricas giratorias. 

Ejemplos de Fuerza Electromagnética

Los ejemplos más comunes que se pueden mencionar son los siguientes:

  • Toda la luz del Sol y otras fuentes consiste en fotones que son portadores de Fuerza Electromagnética.
  • Los imanes y el campo magnético de la Tierra, que nos protege de la radiación dañina, son aspectos de la Fuerza Electromagnética.
  • La radiación gamma es un mecanismo electromagnético que permite que un núcleo atómico pierda energía, según el Modelo Atómico de Thomson
  • La repulsión electrostática entre cargas similares ha impedido que el Sol fusione rápidamente todo su Hidrógeno.
  • La Fuerza Electromagnética, que también tiene un amplio rango, es la más diversa e influyente de todas las fuerzas fundamentales.


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