Campo Magnetico: 2010

domingo, 21 de noviembre de 2010

PRESENTACION

APLICACIONES DEL CAMPO MAGNETICO

Presentaremos algunas de las aplicaciones del magnetismo y su influencia en el mundo moderno. Podemos decir que la revolución que está sufriendo el mundo en el campo tecnológico y que afectará sin duda toda la vida cultural, política y social de lo que resta del siglo y del subsiguiente, es producto en gran medida del avance de la física. Esto se ve de manera particular en el desarrollo de la microelectrónica y de otras áreas de alta tecnología que utilizan los principios del electromagnetismo en el diseño de aparatos y sistemas de información, medición, etc. Asimismo, la creación de nuevos materiales y su aplicación se basa en gran medida en el conocimiento logrado en el electromagnetismo y la mecánica cuántica.

Qué es y cómo funciona un galvanómetro

Un galvanómetro es un aparato que se emplea para indicar el paso de pequeñas corrientes eléctricas por un circuito y para la medida precisa de su intensidad. Como veremos su funcionamiento se basa en fenómenos magnéticos.

El galvanómetro consta de una aguja indicadora, unida mediante un resorte espiral, al eje de rotación de una bobina rectangular plana, que está suspendida entre los polos opuestos de un imán permanente.

En el interior de la bobina se coloca un núcleo de hierro dulce, con el fin de concentrar en ella las líneas de inducción magnética.

Al estar la bobina sumergida en el interior de un campo magnético uniforme, creado por el imán fijo, cuando circula corriente por ella, se produce un par de fuerzas sobre la bobina que hace que rote, arrastrando consigo a la aguja unida a su eje.

La aguja se mueve e indica en una escala, la intensidad de corriente que atraviesa la bobina. El resorte espiral permite que la aguja vuelva a su posición original, una vez que se interrumpe el paso de la corriente.

Veamos cómo se produce el par de fuerzas

Podemos dividir cada espira rectangular de la bobina en cuatro partes, de forma que de acuerdo con la ley de Biot y Savart, la acción del campo magnético uniforme sobre la espira será:

Luego la fuerza neta sobre la espira es cero.

Observa que la fuerza sobre los elementos 2 y 4 de la espira es cero, puesto que el elemento de corriente tiene la misma dirección que el campo magnético.

La fuerza sobre el elemento 1 de la espira es igual y de signo contrario a la fuerza sobre el elemento 3, por eso la fuerza neta sobre la espira es cero.

¿Habrá entonces momento neto sobre cada espira?

Para cualquier posición de la espira:

El momento neto sobre toda la bobina será:

Cómo puedes comprobar el momento total sobre la bobina es proporcional a la intensidad que atraviesa la espira.

ALEACIONES Y COMPUESTOS CRISTALINOS

Una de las ramas importantes del magnetismo se ocupa de los efectos que influyen en la estructura y formación de dominios magnéticos tanto en bulto como en películas delgadas. En forma específica, del comportamiento de materiales magnéticos granulares que no contengan dominios, sino que sean dominios únicos (como en el caso de las bacterias discutido anteriormente). Esto es muy importante, ya que sus propiedades son más fáciles de entender. Cuando se dice que un material es magnéticamente duro significa que las partículas que lo componen son muy anisotrópicas y, por lo tanto, que su rotación se dificulta. De esta manera, una gran cantidad de materiales como rocas, magnetita, etc., han sido investigados y utilizados sobre todo en medios de grabación magnética.

FERROFLUIDOS

La idea de crear un fluido coloidal con propiedades ferro magnéticas surgió en los años sesenta. Estos fluidos consisten en partículas finamente divididas de magnetita o cobalto suspendidas en un medio aceitoso, como el kerosene. Para evitar que estas partículas se unan y el coloide se coagule, se adiciona un tenso activo o agente dispersante como el ácido oleico. Las partículas deben ser pequeñas, del orden de 100 Angstroms. Estas partículas rodeadas de tenso activo interactúan entre sí como si fueran esferas duras que llevaran un dipolo magnético. De esta forma el coloide tiene propiedades muy interesantes cuando se le coloca en un campo magnético.

Partículas de cobalto para ferrofluidos.

EFECTO DE CAMPOS MAGNÉTICOS EN METALES LÍQUIDOS

En la tecnología nuclear, los reactores de cría juegan un papel muy importante para la producción de energía, sobre todo en países como Francia y Alemania. Estos reactores se llaman así porque al operar producen más combustible nuclear del que usan y lógicamente esto es una gran ventaja de su operación. Para enfriar estos reactores se utilizan metales líquidos. Esto incidirá en el diseño del reactor pues, dados los campos magnéticos presentes en el mismo, el flujo del metal puede seguir patrones sorpresivos. De esta manera se estudia el flujo y el comportamiento de metales líquidos en tuberías de distintas secciones transversales, sean cilíndricas o rectangulares, rodeadas de campos magnéticos de intensidad variable. Los patrones de flujo afectan la razón de transferencia de calor, presión, etcétera.

RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

Si un núcleo atómico que posee espín es colocado en un campo magnético fuerte, su momento magnético procesa alrededor de la dirección del campo. La componente del momento en el eje definido por el campo está cuantizada, o sea, toma solamente valores discretos. De esta manera, sólo ciertas energías son permitidas. Al pasar de un estado de energía a otro el núcleo radía a ciertas frecuencias. En 1946, Purcell y Bloch desarrollaron la resonancia magnética nuclear (RMN) aprovechando este hecho. Esos investigadores utilizaron un transmisor de radiofrecuencia para producir un campo electromagnético oscilante que induce transiciones entre los diversos niveles de energía de los núcleos de una muestra. Esto ocurre cuando, por un efecto de resonancia, la frecuencia del campo oscilante iguala a la frecuencia de transición entre estos niveles (frecuencia de Larmor), la cual depende tanto del momento magnético de núcleo como del campo magnético en el núcleo.

Una imagen de resonancia magnética nuclear de una rebanada de abdomen. Diferencias de brillo indican diferente entorno, por ejemplo, distinguen grasa de músculo

TECNOLOGÍA DE INFORMACIÓN MAGNÉTICA

Indudablemente ésta es la aplicación en donde el magnetismo ha permitido un desarrollo mayor y más impresionante, ya que ha generado una industria de 25 000 millones de dólares al año, la cual crece a un ritmo de 20% anual. Su potencial es tan grande que desafía la imaginación, y lo hecho hasta ahora parece ser sólo el principio. La tecnología de información magnética incluye tres campos: grabación magnética, grabación optomagnética y burbujas magnéticas.

GRABACIÓN MAGNÉTICA

El almacenamiento de información vía grabación magnética se realiza en cintas magnéticas, discos flexibles (floppy disks) y discos duros. Una cabeza de grabación convencional consiste en un material magnético de alta permeabilidad alrededor del cual pasa una corriente por un alambre. El campo magnético en la brecha magnetiza el medio magnético en dirección del campo. Cambiando la dirección de la corriente se pueden magnetizar diferentes regiones del medio en direcciones opuestas y por tanto se tiene un código de información binario. Para leer esta información se mueven la cabeza y el medio en relación una al otro y al interceptar la cabeza al campo magnético del medio se generan pulsos eléctricos por la ley de Lenz.

Un modelo de columnas para películas de Co-Cr.

MOTOR ELÉCTRICO

Un motor eléctrico es un dispositivo rotativo que transforma energía eléctrica en energía mecánica. En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores de combustión A igual tamaño y peso son más reducidos. Se pueden construir de cualquier tamaño. Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante. Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 80%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina). La gran mayoría de los motores eléctricos son máquinas reversibles pudiendo operar como generadores, convirtiendo energía mecánica en eléctrica.

Partes de un Motor

Comenzamos mirando el diseño global de un motor eléctrico DC simple de 2 polos. :
* Una armadura o rotor.
*Un conmutador.
*Cepillos.
*Un eje.
*Un Imán de campo.
*Una fuente de poder DC de algún tipo.

LA LEVITACION MAGNETICA: COMO FUNCIONA EL TRANSRAPID -

TECNOLOGIA ALEMANA IMPLEMENTADA POR CHINA

La tecnología MAGLEV es alemana, ahora exportada a China que ya tiene uno de estos trenes corriendo de Shangai al Aeropuerto. Estos son sus principios: 1) el sistema de atracción magnética los mantiene en el aire a 1,5 cm. del riel, aun detenidos. 2) Existen bobinas en el tren y en las vías. Ambas se atraen y repelen con una precisión tal que complejos mecanismos de ajuste se encargan de vigilar este proceso. 3) las fuerzas magnéticas atraen al tren y lo hacen avanzar. 4) el campo magnético avanza delante del tren 5) las bobinas son tres: a) bobina de propulsión, b) bobina de elevación en el tren, c) bobina de elevación en la vía

Podemos decir que el tren es un gran imán. Debajo de él, en los "raíles", va un motor linear que hace que un flujo magnético vaya hacia delante. Ese flujo magnético empuja al tren. Mejor dicho, primero lo levanta unos milímetros y luego lo hace avanzar. A diferencia de los trenes convencionales, el motor no va en el tren, el motor va en los "rieles". Aquí ya hay una ventaja: menos peso (el motor no va en el tren), menos ruido (el motor no va en el tren y no hay ruedas que rocen con el suelo, sólo hay un silencioso campo magnético).

Al no haber rozamiento el consumo de energía es menor.

GRABACIÓN OPTOMAGNÉTICA

En este sistema la lectura y grabación se hace con un rayo láser. El sistema es mecánicamente simple y la densidad de información está limitada por la longitud de onda del láser. Para grabar, un rayo de luz láser incide sobre una delgada película magnética. El láser calienta una región y alinea su momento magnético con un campo magnético aplicado. Para leer la información se usa luz de menor intensidad que la utilizada para escribir. Cuando la luz pasa por el material, su plano de polarización gira debido al efecto Faraday. La dirección de rotación depende de la dirección de magnetización del material y de esta forma, usando un polarizador, uno puede transformar rotaciones en direcciones distintas en diferencias de intensidad. Como materiales magnetoópticos se utilizan aleaciones amorfas de tierras raras y metales. Como ya mencionamos, estos materiales son nuevos y se requiere de mucha investigación para entenderlos.

TECNOLOGÍA DE BURBUJAS MAGNÉTICAS

Las memorias de burbujas magnéticas pueden representarse como pequeños dominios móviles cuya polaridad es contraria a la de sus alrededores.

La presencia o ausencia de una burbuja puede ser interpretada como un código binario. Estas memorias son ventajosas con respecto a otros sistemas de grabación en tiempos de aceso, costo y confiabilidad. Las memorias de burbuja son microestructuras, de cerca de una micra, de una aleación níquel-hierro producidas litográficamente en películas de granate, como se muestra en la figura 36. Un campo magnético rotante aplicado en el plano de la película induce polos magnéticos en galones asimétricos de la aleación y de esta manera el domino de la burbuja se propaga. Tal vez en el futuro la implantación de iones pueda substituir a la aleación. Hay que subrayar que esta tecnología ha sido acaparada prácticamente por los japoneses. Aparte de usar un campo magnético para propagar las burbujas, se pueden usar corrientes en planos conductores para producir el campo.

Bibliografia:

http://gluones.wordpress.com/2009/03/29/que-es-y-como-funciona-un-galvanometro/
www.youtube.com
www.wikipedia.com
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/056/htm/sec_7.htm

http://www.scribd.com/doc/491400/CAMPO-MAGNETICO-

martes, 26 de octubre de 2010

Sugerencias para el blog

Debemos agregar las fuentes de información
Agregar citas y origen de la información incorporada al blog, p. ej. NASA
Es importante dar el mismo formato a todos los textos del blog
Deshechar fuentes no seguras o de dudosa reputación científica (Rincón del Vago)
Se toma de Wikipedia texto completo... Cuál es nuestra elaboración?
Hay temas repetidos: Historia
No hay aplicaciones prácticas del fenómeno: Galvanómetro, motor eléctrico...

lunes, 11 de octubre de 2010

Campo magnético terrestre

Las líneas del campo magnético terrestre salen del polo norte magnético hacia el polo sur.

El campo magnético terrestre presente en la Tierra Es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y está presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol.

Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos como la orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.

Una brújula apunta en la dirección Sur-Norte por tratarse de una aguja imantada inmersa en el campo magnético terrestre: desde este punto de vista, la Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos.

El Polo Sur Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética. La declinación magnética depende del lugar de observación

Variaciones del campo terrestre

Mapa del mundo de la declinación magnética de 1590 a 1990.

El campo magnético de la tierra varía en el curso de las eras geológicas, es lo que se denomina variación secular. La dirección del campo magnético queda registrada en la orientación de los dominios magnéticos de las rocas y el ligero magnetismo resultante se puede medir.

Midiendo el magnetismo de rocas situadas en estratos formados en periodos geológicos distintos se elaboraron mapas del campo magnético terrestre en diversas eras. Estos mapas muestran que ha habido épocas en que el campo magnético terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse.

Ciertas mediciones recientes muestran una reducción del 5% en la intensidad del campo magnético en los últimos 100 años, hecho que ha estimado que el campo magnético terrestre prácticamente desaparecerá dentro de unos 1500 años aproximadamente.

Magnetismo planetario

El magnetismo es un fenómeno extendido a todos los átomos con desequilibrio magnético. La agrupación de dichos átomos produce los fenómenos magnéticos perceptibles, y los cuerpos estelares, los planetas entre ellos, son propicios a tener las condiciones para que se desarrolle un campo magnético de una cierta intensidad. En el caso de la Tierra, la zona en la que se mueve está influenciada por el campo magnético solar, pero el propio campo magnético terrestre crea como una burbuja, la magnetosfera terrestre, dentro del anterior. Dicha burbuja tiene una capa límite entre su influencia y la solar (magnetopausa) que es aproximadamente esférica hacia el Sol, y alargada hacia el sistema solar externo, acercándose a la superficie terrestre en los polos magnéticos terrestres.

Líneas del Campo Magnético

Cuando los investigadores trazan el flujo tridimensional de un río alrededor del pilar de un puente o del viento alrededor del ala de un aeroplano (ver foto), lo modelizan usando líneas de flujo dinámico, unas líneas que trazan el flujo de las partículas de agua o aire.

Las líneas del campo magnético describen de forma similar la estructura del campo magnético en tres dimensiones. Se definen como sigue. Si en cualquier punto de dicha línea colocamos una aguja de compás ideal, libre para girar en cualquier dirección (diferente a la aguja normal que permanece horizontal --estas agujas existen, vea al final de la página), la aguja siempre apuntará a lo largo de la línea de campo (dibujo inferior).

Las líneas de campo convergen donde la fuerza magnética es mayor y se separan donde es más débil. Por ejemplo, en una barra imantada compacta o "dipolo", las líneas de campo se separan a partir de un polo y convergen en el otro y la fuerza magnética es mayor cerca de los polos donde se reúnen. El comportamiento de las líneas en el campo magnético terrestre es muy similar.

Las líneas de campo fueron introducidas por Michael Faraday (vea la historia), que las denominó "líneas de fuerza". Durante muchos años fueron vistas meramente como una forma de visualizar los campos magnéticos y los ingenieros eléctricos preferían otra formas, más útiles matematicamente. Sin embargo no era así en el espacio, donde las líneas eran fundamentales para la forma en que se movían los electrones e iones. Estas partículas cargadas eléctricamente tienden a permanecer unidas a las líneas de campo donde se asientan, girando en espiral a su alrededor mientras se deslizan por ellas, como las cuentas de un collar (dibujo inferior).

Debido a esta unión, el comportamiento del gas electrificado ("plasma") en el espacio, un gas de iones y electrones libres, es dictado por la estructura de las líneas de campo: las corrientes eléctricas, por ejemplo, encuentran más fácil fluir a lo largo de estas líneas. El papel de las líneas de campo en un plasma se parece a las vetas de la madera: como la veta es la dirección "fácil" a lo largo de la cual la madera se raja más fácilmente, así la dirección de las líneas de campo es la que prefieren para fluir las partículas, las corrientes eléctricas, el calor y ciertos tipos de ondas.

domingo, 26 de septiembre de 2010

El Campo Magnetico

Campo Magnetico

Objetivo del Grupo:

Mostrar Los campos magneticos y aprender un poco mas hacerca de ellos, la manera como funcinan , como se dan en el medio, y como reconocerlos , ademas por que no tambien experimentar con ellos .

Líneas mostrando el campo magnético de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro sobre papel.

El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor que se desplaza a una velocidad $\mathbf{v}$ , sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.

$\mathbf{F} = q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$

donde F es la fuerza, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción magnética y densidad de flujo eléctrico. (Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto vectorial es un producto vectorial que tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B). El módulo de la fuerza resultante será

$|\mathbf{F}| = q|\mathbf{v}||\mathbf{B}|\cdot \mathop{\sin} \theta$

La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro.

Historia

Si bien algunos materiales magnéticos han sido conocidos desde la antigüedad, como por ejemplo el poder de atracción que sobre el hierro ejerce la magnetita, no fue sino hasta el siglo XIX cuando la relación entre la electricidad y el magnetismo quedó plasmada, pasando ambos campos de ser diferenciados a formar el cuerpo de lo que se conoce como electromagnetismo.

Antes de 1820, el único magnetismo conocido era el del hierro. Esto cambió con un profesor de ciencias poco conocido de la Universidad de Copenhague, Dinamarca, Hans Christian Oersted. En 1820 Oersted preparó en su casa una demostración científica a sus amigos y estudiantes. Planeó demostrar el calentamiento de un hilo por una corriente eléctrica y también llevar a cabo demostraciones sobre el magnetismo, para lo cual dispuso de una aguja de brújula montada sobre una peana de madera.

Mientras llevaba a cabo su demostración eléctrica, Oersted notó para su sorpresa que cada vez que se conectaba la corriente eléctrica, se movía la aguja de la brújula. Se calló y finalizó las demostraciones, pero en los meses sucesivos trabajó duro intentando explicarse el nuevo fenómeno.¡Pero no pudo! La aguja no era ni atraída ni repelida por ella. En vez de eso tendía a quedarse en ángulo recto. Hoy sabemos que esto es una prueba fehaciente de la relación intrínseca entre el campo magnético y el campo eléctrico plasmada en las ecuaciones de Maxwell.

Como ejemplo para ver la naturaleza un poco distinta del campo magnético basta considerar el intento de separar el polo de un imán. Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce" sus dos polos. Si ahora volvemos a partir otra vez en dos, nuevamente tendremos cada trozo con dos polos norte y sur diferenciados. En magnetismo no existen los monopolos magnéticos.

Nombre

El nombre de campo magnético o intensidad del campo magnético se aplica a dos magnitudes:

La excitación magnética o campo H es la primera de ellas, desde el punto de vista histórico, y se representa con H.
La inducción magnética o campo B, que en la actualidad se considera el auténtico campo magnético, y se representa con B.

Desde un punto de vista físico, ambos son equivalentes en el vacío, salvo en una constante de proporcionalidad que depende del sistema de unidades: 1 en el sistema de Gauss, $\mu_0=4 \pi \cdot 10^{-7}{\mbox{N}}{\mbox{A}^{-2}}$ en el SI. Solo se diferencian en medios materiales con el fenómeno de la magnetización.

Uso

El campo H se ha considerado tradicionalmente el campo principal o intensidad de campo magnético, ya que se puede relacionar con unas cargas, masas o polos magnéticos por medio de una ley similar a la de Coulomb para la electricidad. Maxwell, por ejemplo, utilizó este enfoque, aunque aclarando que esas cargas eran ficticias. Con ello, no solo se parte de leyes similares en los campos eléctricos y magnéticos (incluyendo la posibilidad de definir un potencial escalar magnético), sino que en medios materiales, con la equiparación matemática de H con E, por un lado, y de B con D, por otro, se pueden establecer paralelismos útiles en las condiciones de contorno y las relaciones termodinámicas; la fórmulas correspondientes en el sistema electromagnético de Gauss son:

$\begin{array}{lll} \mathbf{B} = \mu \mathbf{H} & \qquad & \mathbf{H} = \mathbf{B} - 4\pi\mathbf{M}\\ \mathbf{D} = \epsilon\mathbf{E} & & \mathbf{E} = \mathbf{D} - 4\pi\mathbf{P} \end{array}$

En electrotecnia no es raro que se conserve este punto de vista porque resulta práctico.

Con la llegada de las teorías del electrón de Lorentz y Poincaré, y de la relatividad de Einstein, quedó claro que estos paralelismos no se corresponden con la realidad física de los fenómenos, por lo que hoy es frecuente, sobre todo en física, que el nombre de campo magnético se aplique a B (por ejemplo, en los textos de Alonso-Finn y de Feynman).^[1] En la formulación relativista del electromagnetismo, E no se agrupa con H para el tensor de intensidades, sino con B.

En 1944, F. Rasetti preparó un experimento para dilucidar cuál de los dos campos era el fundamental, es decir, aquel que actúa sobre una carga en movimiento, y el resultado fue que el campo magnético real era B y no H.^[2]

Para caracterizar H y B se ha recurrido a varias distinciones. Así, H describe cuan intenso es el campo magnético en la región que afecta, mientras que B es la cantidad de flujo magnético por unidad de área que aparece en esa misma región. Otra distinción que se hace en ocasiones es que H se refiere al campo en función de sus fuentes (las corrientes eléctricas) y B al campo en función de sus efectos (fuerzas sobre las cargas).

Fuentes del campo magnético

Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una corriente eléctrica de conducción, que da lugar a un campo magnético estático. Por otro lado una corriente de desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso aunque aquella sea estacionaria.

La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley de Ampère. El caso más general, que incluye a la corriente de desplazamiento, lo da la ley de Ampère-Maxwell.

Campo magnético producido por una carga puntual

El campo magnético generado por una única carga en movimiento (no por una corriente eléctrica) se calcula a partir de la siguiente expresión:

$\mathbf{B}=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{(q\mathbf{v})\times \hat\mathbf{u}_r}{r^2}$

Donde $\mu_0=4 \pi \cdot 10^{-7}\frac{\mbox{N}}{\mbox{A}^2}$ . Esta última expresión define un campo vectorial solenoidal, para distribuciones de cargas en movimiento la expresión es diferente, pero puede probarse que el campo magnético sigue siendo un campo solenoidal.

Propiedades del campo magnético

La inexistencia de cargas magnéticas lleva a que el campo magnético es un campo solenoidal lo que lleva a que localmente puede ser derivado de un potencial vector $\mathbf{A}$ , es decir:

$\mathbf{B} = \nabla \times \mathbf{A}$

A su vez este potencial vector puede ser relacionado con el vector densidad de corriente mediante la relación:

$\Delta \mathbf{A} = \mu \mathbf{j}$

Inexistencia de cargas magnéticas aisladas

Cabe destacar que, a diferencia del campo eléctrico, en el campo magnético no se ha comprobado la existencia de monopolos magnéticos, sólo dipolos magnéticos, lo que significa que las líneas de campo magnético son cerradas, esto es, el número neto de líneas de campo que entran en una superficie es igual al número de líneas de campo que salen de la misma superficie. Un claro ejemplo de esta propiedad viene representado por las líneas de campo de un imán, donde se puede ver que el mismo número de líneas de campo que salen del polo norte vuelve a entrar por el polo sur, desde donde vuelven por el interior del imán hasta el norte.

Como se puede ver en el dibujo, independientemente de que la carga en movimiento sea positiva o negativa, en el punto A nunca aparece campo magnético; sin embargo, en los puntos B y C el campo magnético invierte su sentido dependiendo de si la carga es positiva o negativa. El sentido del campo magnético viene dado por la regla de la mano derecha, siendo las pautas a seguir las siguientes:

En primer lugar se imagina un vector qv, en la misma dirección de la trayectoria de la carga en movimiento. El sentido de este vector depende del signo de la carga, esto es, si la carga es positiva y se mueve hacia la derecha, el vector +qv estará orientado hacia la derecha. No obstante, si la carga es negativa y se mueve hacia la derecha, el vector es -qv va hacia la izquierda.
A continuación, vamos señalando con los cuatro dedos de la mano derecha (índice, medio, anular y meñique), desde el primer vector qv hasta el segundo vector Ur, por el camino más corto o, lo que es lo mismo, el camino que forme el ángulo menor entre los dos vectores. El pulgar extendido indicará en ese punto el sentido del campo magnético.

Determinación del campo de inducción magnética B

El campo magnético para cargas que se mueven a velocidades pequeñas comparadas con velocidad de la luz, puede representarse por un campo vectorial. Sea una carga eléctrica de prueba

q 0

en un punto P de una región del espacio moviéndose a una cierta velocidad arbitraria v respecto a un cierto observador que no detecte campo eléctrico. Si el obsevador detecta una deflexión de la trayectoria de la partícula entonces en esa región existe un campo magnético. El valor o intensidad de dicho campo magnético puede medirse mediante el llamado vector de inducción magnética B, a veces llamado simplemente "campo magnético", que estará relacionado con la fuerza F y la velocidad v medida por dicho observador en el punto P: Si se varía la dirección de v por P, sin cambiar su magnitud, se encuentra, en general, que la magnitud de F varía, si bien se conserva perpendicular a v . A partir de la observación de una pequeña carga eléctrica de prueba puede determinarse la dirección y módulo de dicho vector del siguiente modo:

La dirección del "campo magnético" se define operacionalmente del siguiente modo. Para una cierta dirección y sentido de v, la fuerza F se anula. Se define esta dirección como la de B.
Una vez encontrada esta dirección el módulo del "campo magnético" puede encontrarse fácilmente ya que es posible orientar a v de tal manera que la carga de prueba se desplace perpendicularmente a B. Se encuentra, entonces, que la F es máxima y se define la magnitud de B determinando el valor de esa fuerza máxima:

$B=\frac{F_\perp}{q_0v}$

En consecuencia: Si una carga de prueba positiva $q 0$ se dispara con una velocidad v por un punto P y si obra una fuerza lateral F sobre la carga que se mueve, hay una inducción magnética B en el punto P siendo B el vector que satisface la relación:

$\mathbf{F} = q_0 \mathbf{v} \times \mathbf{B}$

La magnitud de F, de acuerdo a las reglas del producto vectorial, está dada por la expresión:

$\,\!F=q_0vB\sin \theta$

Expresión en la que $\theta\;$ es el ángulo entre v y B.

La figura muestra las relaciones entre los vectores.

Se observa que: (a) la fuerza magnética se anula cuando $\,\!v \to 0$ , (b) la fuerza magnética se anula si v es paralela o antiparalela a la dirección de B (en estos casos $\,\!\theta = 0^ \circ$ o bien $\,\!\theta = 180^ \circ$ y $\vec v \times \vec B = 0$ ) y (c) si v es perpendicular a B ( $\,\!\theta = 90^ \circ$ ) la fuerza desviadora tiene su máximo valor dado por $\,\!F_\perp =q_0vB$

El hecho de que la fuerza magnética sea siempre perpendicular a la dirección del movimiento implica que el trabajo realizado por la misma sobre la carga, es cero. En efecto, para un elemento de longitud $\,\!dl$ de la trayectoria de la partícula, el trabajo $\,\!dW$ es $\,\! \vec F_B . dl$ que vale cero por ser $\,\!F$ y $\,\!dl$ perpendiculares. Así pues, un campo magnético estático no puede cambiar la energía cinética de una carga en movimiento.

Si una partícula cargada se mueve a través de una región en la que coexisten un campo eléctrico y uno magnético la fuerza resultante está dada por:

$\,\! \vec F=q_0 \vec E + q_0 \vec v \times \vec B$

Esta fórmula es conocida como Relación de Lorentz

Campo magnético en relatividad

Campo medido por dos observadores

La teoría de la relatividad especial probó que de la misma manera que espacio y tiempo no son conceptos absolutos, la parte eléctrica y magnética de un campo electromagnético dependen del observador. Eso significa que dados dos observadores $\scriptstyle \mathcal{O}$ y $\scriptstyle \bar\mathcal{O}$ en movimiento relativo un respecto a otro el campo magnético y eléctrico medido por cada uno de ellos no será el mismo. En el contexto de la relatividad especial si los dos observadores se mueven uno respecto a otro con velocidad uniforme v dirigida según el eje X, las componentes de los campos eléctricos medidas por uno y otro observador vendrán relacionadas por:

$\bar{E}_x = E_x, \quad \bar{E}_y = \frac{E_y - v B_z}{\sqrt{1-v^2/c^2}}, \quad \bar{E}_z = \frac{E_z + v B_y}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$

Y para los campos magnéticos se tendrá:

$\bar{B}_x = B_x, \quad \bar{B}_y = \frac{B_y + v E_z/c^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}, \quad \bar{B}_z = \frac{B_y - v E_y/c^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$

Nótese que en particular un observador en reposo respecto a una carga eléctrica detectará sólo campo eléctrico, mientras que los observadores que se mueven respecto a las cargas detectarán una parte eléctrica y magnética.

Campo creado por una carga en movimiento

El campo magnético creado por una carga en movimiento puede provarse por la relación general:

$\mathbf{B} = \mathbf{v}\times\mathbf{E}/c^2$

que es válida tanto en mecánica newtoniana como en mecánica relativista. Esto lleva a que una carga puntual movimiendo se a una velocidad

Unidades y magnitudes típicas

Artículos principales: Tesla (unidad), Gauss (unidad electromagnética) y Oersted (unidad)

La unidad de B en el SI es el tesla, que equivale a wéber por metro cuadrado (Wb/m²) o a voltio segundo por metro cuadrado (V s/m²); en unidades básicas es kg s⁻² A⁻¹. Su unidad en sistema de Gauss es el gauss (G); en unidades básicas es cm^−1/2 g^1/2 s⁻¹.

La unidad de H en el SI es el amperio por metro (A/m) (a veces llamado ampervuelta por metro). Su unidad en el sistema de Gauss es el oérsted (Oe), que es dimensionalmente igual al Gauss.

La magnitud del campo magnético terrestre en la superficie de la Tierra es de alrededor de 0.5G. Los imanes permanentes comunes, de hierro, generan campos de unos pocos cientos de Gauss, esto es a corto alcance la influencia sobre un compás es alrededor de mil veces más intensa que la del campo magnético terrestre; como la intensidad se reduce con el cubo de la distancia, a distancias relativamente cortas el campo terrestre vuelve a dominar. Los imanes comerciales más potentes, basados en combinaciones de metales de transición y tierras raras generan campos hasta diez veces más intensos, de hasta 3000-4000G, esto es, 0.3-0.4T. El límite teórico para imanes permanentes es alrededor de diez veces más alto, unos 3 Tesla. Los centros de investigación especializados obtienen de forma rutinaria campos hasta diez veces más intensos, unos 30T, mediante electroimanes; se puede doblar este límite mediante campos pulsados, que permiten enfriarse al conductor entre pulsos. En circunstancias extraordinarias, es posible obtener campos incluso de 150T o superiores, mediante explosiones que comprimen las lineas de campo; naturalmente en estos casos el campo dura sólo unos microsegundos. Por otro lado, los campos generados de forma natural en la superficie de un púlsar se estiman en el orden de los cientos de millones de Tesla.^[3]

En el mundo microscópico, atendiendo a los valores del momento dipolar de iones magnéticos típicos y a la ecuación que rige la propagación del campo generado por un dipolo magnético, se verifica que a un nanómetro de distancia, el campo magnético generado por un electrón aislado es del orden de 3G, el de una molécula imán típica, del orden de 30G y el de un ion magnético típico puede tener un valor intermedio, de 5 a 15 G. A un Angstrom, que es un valor corriente para un radio atómico y por tanto el valor mínimo para el que puede tener sentido referirse al momento magnético de un ión, los valores son mil veces más elevados, esto es, del orden de magnitud del Tesla.