MAGNETOSTATICA (1.2)

Los fenómenos magnéticos, fueron probablemente conocidos con antelación a los eléctricos. Desde muy antiguo se conocieron materiales como la magnetita, capaces de atraer pequeños trozos de hierro y que una aguja de hierro luego de estar en contacto uno de estos materiales tendía a orientarse en la dirección norte-sur (en realidad, que señalaba la dirección de la Estrella Polar, que es muy próxima al polo norte celeste). Antiguos navegantes usaban como primitivas brújulas agujas imantadas adheridas a materiales de baja densidad flotando en agua o aceite. La electrostática estudia las configuraciones de cargas en reposo. Los fenómenos magnéticos no se ponen de manifiesto como veremos sobre cargas en reposo y el término magnetostática se refiere a que los campos, o sus flujos sean constantes. Además como también veremos no existen cargas magnéticas, siendo el magnetismo esencialmente dipolar.

Fuerza magnética sobre una carga en movimiento. Si sobre un cuerpo cargado aparece una fuerza por el hecho de moverse en un sistema inercial, o sea, además de las fuerzas que puedan afectarlo en reposo o cuando no tiene carga, se dice que hay
un campo magnético de inducción B . A la fuerza actuante se la llama comúnmente fuerza de Lorentz y está dada por




F = q.v ∧ B

(M.1)



donde F es la fuerza actuante sobre la carga q , que se mueve con velocidad v donde hay un campo
magnético de inducción B . La inducción magnética B se mide en Teslas en el Sistema Internacional y el SIMELA.

[ B] =

Weber = Tesla m2

de modo que el flujo de la inducción magnética se medirá en Webers. Como se ve en la ecuación (M.1) la fuerza de Lorentz es perpendicular a la velocidad (y a la inducción magnética) por lo que tiende a variar la dirección de la misma sin variar su módulo.

Fuerzas sobre una carga en movimiento. La fuerza total actuante sobre una carga en movimiento en una zona donde existen un campo eléctrico, y un campo magnético serán






F = q.E + q.v ∧ B + FG

(M.2)

donde en el segundo miembro, el primer término es la fuerza eléctrica, el segundo la fuerza magnética y el tercero la combinación de todas las fuerzas de origen no electromagnético. Las fuerzas de origen no electromagnético, como la gravitatoria, son en general mucho menores y pueden despreciarse.

Relación carga/masa (q/m). A fines del siglo IX y principios del XX la incipiente investigación sobre física atómica encontraba como una de sus mayores dificultades la imposibilidad de medir masas y cargas del orden de las involucradas en el universo atómico y subatómico. La ecuación (M.2) fue de gran ayuda al permitir

1

como un primer paso la determinación de la relación carga a masa de partículas, llamada concisamente relación q/m. Consideremos una carga q en un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí

E

Fe=q.E v

v

B

Fm=q.v.B

Vemos que si el campo eléctrico, el campo magnético y la velocidad de una partícula de carga positiva son perpendiculares entre sí formando terna directa las direcciones de la fuerza eléctrica y de la fuerza magnética o de Lorentz son opuestas.

Estudiemos el siguiente diagrama imanes

a

b

ev

E B

placas deflectoras

-V+ Los cilindros a y b son mantenidos a una diferencia de potencial que acelera un haz de electrones que pueden provenir de una fuente radiactiva (que emita radiación β, que son electrones) o de un filamento incandescente colocado frente al primero de los cilindros. Por el proceso llamado de emisión termoiónica, un metal incandescente, típicamente se usa tungsteno que soporta temperaturas muy altas o alguna de sus aleaciones, se rodea de una nube de electrones con muy baja energía cinética. Entre los electrodos cilíndricos, los electrones pierden energía potencial electrostática adquiriendo a cambio una energía cinética equivalente

1 .m.v 2 = eV . 2

(M.3)

Este dispositivo recibe el nombre de cañón electrónico y tiene muchísimas aplicaciones técnicas. Al alcanzar el espacio entre las placas deflectoras y los imanes, que pueden ser permanentes o electroimanes, los electrones están sometidos, como ya hemos visto a fuerzas eléctricas y magnéticas que se oponen mutuamente. La ecuación




q.E = − q.v ∧ B

(M.4)

sólo se cumple para una única velocidad de los electrones y este juego de campo eléctrico y magnético cruzados se llama filtro de velocidades, ya que los electrones que tengan una velocidad diferente serán eliminados del haz en una u otra dirección: los de mayor velocidad en la dirección de la fuerza de Lorentz y los de menor velocidad en la dirección de la fuerza eléctrica.

2

Este dispositivo fue utilizado también por J.J.Thomson para determinar la relación e/m, ya que de (M.3) y (M.4) se deduce que

v2 =

2.eV . m

e.E = e.B.v ⇒ e2 .E 2 = e 2 .B 2 .v 2 = e 2 .B 2 .

2.eV . m

(M.5)

e E2 = m 2.V .B 2 Este método se utiliza aún con algunas variantes para medir la relación q/m de partículas cargadas. Por ejemplo otra manera de determinar e/m es hacer entrar el haz de electrones, con velocidad filtrada en un campo magnético uniforme. La fuerza de Lorentz siempre perpendicular a la velocidad y por lo tanto a la trayectoria de la partícula hará que ésta describa una circunferencia

e.v.B = ac =

m.v 2 2.eV . = r r

2.eV . m 2 e v2 2.eV . = = m 2 r 2 .B 2 m.r 2 .B 2 e 2.V = 2 2 m r .B

v2 =

(M.6)

y conociendo la tensión aceleradora, el radio de la trayectoria circular y el campo magnético, se determina la relación e/m. Este método fue uno de los primeros utilizados, junto con el de J.J.Thomson para medir e/m haciendo el experimento dentro de una ampolla con una pequeña presión de gas hidrógeno. El haz de electrones produce una tenue fluorescencia azul-celeste que permite medir el radio de la trayectoria electrónica. El mismo principio se utiliza en el espectrómetro de masas, según el siguiente diagrama +++++++++++B +++++++++++ +++++++++++ + ++++++++++

r v

Las partículas (supuestas aquí de carga positiva) entran con velocidad filtrada en una zona de campo magnético uniforme y perpendicular a la misma y describen una semicircunferencia que en los diseños antiguos hacía impactar las partículas sobre una placa fotográfica apoyada sobre un material fluorescente, utilizándose hoy detectores electrónicos. Este instrumento permitió las primeras investigaciones sobre los isótopos, que son átomos de un mismo elemento, químicamente indistinguibles, con distinta masa nuclear.

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Luego de la determinación por Millikan de la masa del electrón, estos instrumentos pudieron utilizarse para determinar masas de iones y partículas subatómicas.

Tubo de rayos catódicos. Una de las aplicaciones técnicas más importantes de lo que estamos estudiando es el tubo de rayos catódicos, que consiste en un cañón electrónico que dispara un haz de electrones sobre una pantalla fluorescente. El punto donde el haz hace contacto con la pantalla es controlado por dos juegos de placas deflectoras, que convierten la pantalla en sistema de registro x-y; esto es en esencia un osciloscopio, un instrumento de amplia utilidad y aplicación en la ciencia y la técnica. Algunos aditamentos más sofisticados lo hacen aplicable a los tubos de televisión, los modernos sistemas radiológicos, el visor de los ecógrafos, tomógrafos, equipos de resonancia magnética para diagnóstico, etc.`

Campo creado por una corriente eléctrica. Ley de Biot y Savart. Los científicos franceses Jean Baptiste Biot y Felix Savart lograron relacionar los campos magnéticos con las corrientes que los producían a través de la ley que luego pasó a llevar sus nombres. Un elemento de corriente genera un campo magnético cuya inducción está dada por







(r − r , )
µ0 r − r , ) µ0 ( dl dB = .i. ∧ = .i.dl ∧ (M.7) , 3 4.π r − r , 2 4.π r − r, r −r
donde i es la intensidad de corriente, dl es el diferencial de curva que la transporta, ubicado por el
,
vector posición r , y r el vector posición del punto donde calculamos la inducción magnética.

µ0 es la permeabilidad magnética del vacío, y vale

µ0 = 4.π .10−7

Weber A.m

(M.8)

Obsérvese que mientras que la Ley de Coulomb es plana, aquí la inducción magnética resulta perpendicular al plano definido por r, r’ y dl. Si la curva del dibujo y el punto de interés están en el plano de la hoja el vector inducción magnética penetra perpendicularmente en la misma. El elemento de corriente, el vector posición relativo del elemento de corriente al punto de cálculo y la inducción magnética producida forman terna directa. i r-r’ ⊕B

dl r r’

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También puede usarse la regla de la mano derecha: si se toma el elemento de corriente con el dedo pulgar en la dirección de la corriente (recordar que convencionalmente es el movimiento de las cargas positivas), los demás dedos indican la dirección de las líneas de campo, usando la misma descripción que para el campo eléctrico.

Campo creado por una carga en movimiento. Una carga en movimiento crea un campo magnético en su entorno. La descripción de este efecto es relativamente simple a partir de la ley de Biot y Savart. Considerando que se puede relacionar


dq
dl
I .dl = .dl = dq. = dq.v dt dt

(M.9)

vemos que si llevamos a dq a ser una única carga puntual nos queda







µ0 r − r , ) µ0
( r − r , ) ( q.v ∧ = B= . .q.v ∧ 3 4.π r − r , 2 4.π r − r, r − r,

(M.10)

Ley de Ampère. “La circulación de la inducción magnética a lo largo de una curva cerrada es igual a la intensidad de corriente abrazada por la curva multiplicada por µ0”. n

∫ B.dl = µ0 .∑ Ii

(M.11)

i =1

Γ

dl Γ

I1 Ii In

Esta ley es en cierto modo equivalente al la Ley o Teorema de Gauss de la electrostática. De la misma manera, si conocemos a priori la simetría de una configuración podemos valernos de la Ley de Ampère para calcular campos magnéticos.

Teorema de Ampère. El enunciado del punto anterior y la ecuación (M.11) pueden ser probados en forma de teorema a partir de la Ley de Biot-Savart. Como veremos al fin de este curso, la ley de Ampère con alguna modificación se transforma en una de las ecuaciones de Maxwell, que no incluyen a la Ley de Biot y Savart.

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Consideremos una corriente perpendicular al plano de la página en su intersección con ella en dos posiciones alternativas dentro y fuera del circuito de integración que se muestra en el dibujo. B

r

I1

dl θ1

r

θ2

I2



B.dl = Bdl cos φ dl cos φ = rdθ

(M.12)

integrando para I en la posición I1, en que la corriente atraviesa el circuito de integración, resulta



µ0 I B ∫ .dl = 2π

rdθ µ I ∫ r = 2π0

µ0 I 2π ∫ dθ = 2π ∫0 dθ = µ0 I

(M.13)

mientras que la integral para la posición I2, donde la corriente no atraviesa el circuito, resulta



µ0 I B ∫ .dl = 2π

rdθ µ I ∫ r = 2π0

θ2

θ1

 µ0 I  d d d = − θ θ θ  ∫ ∫θ  = 0 2π  θ∫  1

(M.14)

2

Obsérvese la simetría con la prueba del teorema de Gauss (Que como Ley de Gauss, generalizada, también es una de las ecuaciones de Maxwell, no siéndolo la Ley de Coulomb).

Campo magnético generado por una larga corriente recta. Dado un largo hilo conductor (que pueda suponerse de longitud infinita), la ley de Biot y Savart nos asegura que el problema tendrá simetría de revolución alrededor del mismo. Si hacemos coincidir la línea de corriente con el eje z, usando coordenadas cilíndricas del modo ya usual para nosotros, vemos que en cada punto del plano del dibujo B tendrá la dirección de φ, hacia adentro de la hoja del lado derecho del cable y hacia afuera del izquierdo. El elemento de corriente I.dz produce en el punto ubicado por el vector posición r un campo magnético de inducción
µ 0 dz
∧ r
dB = .I . 3 (M.15) 4.π r pero vemos que:

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z

ρ

= tg (θ )

α= r=

π 2

+ θ ⇒ sen(α ) = − cos(θ )

ρ

cos(θ )

z

I;dz

α

θ

r ρ

dl de donde

ρ

dBφ =

Bφ = finalmente resulta

µ 0 .I cos 2 (θ ) .[− cos(θ )].dθ ρ2 4.π cos 2 (θ )

µ 0 .I 4.π .ρ

(M.16)

π 2

∫ − cos(θ ).dθ

−π 2


µ I
B = 0 eφ 2πρ

(M.17)

Al tratarse de una línea de corriente recta e infinita, la simetría cilíndrica del problema es conocida “a priori”, de modo que tomando una circunferencia perpendicular a la línea y centrada en la misma, podemos escribir en base al teorema de Ampère 2πρ Bφ = µ 0 I

Bφ =

µ0 I 2πρ

con lo que obtenemos el mismo resultado expresado en (M.17).

Fuerza entre corrientes paralelas. Supongamos dos largas líneas paralelas que transportan corriente, separadas una distancia d.

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(M.18)

La corriente I1 produce un campo magnético de inducción B donde está la corriente I2, según lo recién calculado igual a
µ I B = 0 (M.19) 2π d

I1

I2

B F1 F2 d dl

B

por lo que actuará una fuerza sobre la línea de corriente que transporta I2. La fuerza sobre un elemento dl será



F = nqAv ∧ B = Idl ∧ B (M.20) al ser paralelas las líneas de corriente, B será perpendicular al plano que definen y la fuerza F estará sobre él y a lo largo del segmento de recta perpendicular a las líneas y que las une . La fuerza por unidad de longitud, será en módulo entonces
µ II F = 0 1 2 (M.21) 2π d Actualmente la ecuación (M.21) es la que define la unidad de intensidad de corriente, el ampère:

“UN AMPERE es la corriente constante que recorriendo dos conductores

infinitos y paralelos ubicados a un metro de distancia produce sobre cada uno de ellos una fuerza de 2 x 10-7 Newtons por metro de longitud (2 x 10-7 N/m)”. Nótese además que corrientes paralelas de igual signo se atraen y corrientes paralelas de signo opuesto se repelen.

Campo magnético creado por una espira circular sobre su eje. θ

B r z Idl

a

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Cada elemento dl de la espira, de radio a, produce una contribución al campo magnético dada según la ley de Biot y Savart por

µ0 I 4π µI dBρ = 0 4π dBz =



µ0 I dl ∧ r
dB = . 3 4π r dl µ0 I dl a µ0 I a.dl cos( ) θ = = (z2 + a2 ) 4π ( z 2 + a 2 ) ( z 2 + a 2 )1/ 2 4π ( z 2 + a 2 )3 / 2 dl µI dl z µI z.dl sen(θ ) = 0 = 0 2 2 2 2 2 2 1/ 2 2 (z + a ) 4π ( z + a ) ( z + a ) 4π ( z + a 2 )3 / 2 dBφ = 0

(M.22)

(M.23)

(M.24) (M.25)

Nótese que el problema planteado tiene simetría cilíndrica alrededor del eje z. La ecuación (M.22) no da en ningún caso componente en la dirección de φ y para cada elemento de corriente que contribuye a (M.24), en la dirección de ρ, existe uno opuesto que lo cancela. En consecuencia sólo tendremos campo en la dirección de z.


µI 2π a 2
µ0 I a2
B= 0 e = e 2 2 3/ 2 z 2 2 3/ 2 z 4π ( z + a ) 2 (z + a )

(M.26)

resultado obtenible integrando directamente la ecuación (M.27). Sobre el centro de la espira z=0 y, en consecuencia


µI
B = 0 ez 2a

(M.28)

En la práctica normalmente se utilizan múltiples espiras casi coplanares y entonces será


µ NI a2
B= 0 e z 2 ( z 2 + a 2 )3 / 2

(M.29)


µ NI
B = 0 ez 2a

(M.30)

sobre el eje de las espiras y

en el centro de la bobina siendo N el número de vueltas del arrollamiento. NOTA IMPORTANTE: todos los cálculos anteriores están hechos sobre el EJE de la espira.

Momento magnético de una espira. Llamamos momento magnético de una espira plana al producto de la corriente que circula por ella por su área, orientado según la regla de la mano derecha. Poniendo los demás dedos de la mano en el sentido de la corriente el pulgar indica la dirección del momento magnético (y la del campo que produce)







µ = IANn

(M.31)

donde n es el versor normal al área encerrada por la espira, coincidente con el resultado de la aplicación de la regla de la mano derecha. La ecuación (M.29) puede escribirse entonces como

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µ0 µ a2
B= e 2 2 3/ 2 z 2π ( z + a )

(M.32)

El ciclotrón. El ciclotrón fue uno de los primeros aceleradores de partículas que se diseñaron siendo un instrumento por demás ingenioso. Consta de una cavidad cilíndrica dividida en dos por una junta aisladora o bien colocada dentro de otro recipiente a fines de poder hacer funcionar el dispositivo en vacío. Como se muestra en el diagrama, estos semicilindros se colocan en un campo magnético perpendicular a sus caras extremas y cada mitad del cilindro (llamadas Ds por su geometría) está conectada a un oscilador que produce una corriente alterna (trabajaremos con ellas mas adelante) que puede describirse por V = V0 sen( wt ) . En el punto S se coloca una fuente de iones, como ser una fuente radiactiva que emita partículas alfa (He++) o un generador de iones compuesto, por ejemplo por un sistema ionizador por alta tensión y un acelerador electrostático. Los iones entran en la primer D que se encuentra a un potencial tal que los acelera; describen en el campo magnético un semicírculo y llegan al límite entre las dos Ds, que han cambiado para ese momento de polaridad relativa. Como veremos el sistema se auto-sincroniza y los iones vuelven a acelerarse y describen otro semicírculo de mayor radio, alcanzando nuevamente el límite entre las Ds y volviendo a acelerarse porque éstas volvieron a cambiar de polaridad.

B

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Finalmente, alcanzada la mayor energía que el instrumento permite, los iones son desviados a, o recibidos por, un canal que los envía a su destino, normalmente a chocar con algún blanco para fines de investigación o, actualmente también para tratamientos médicos. Veamos algunos cálculos: la fuerza de Lorentz sobre los iones moviéndose en un campo magnético perpendicular a su velocidad aporta la fuerza centrípeta para que éstos describan un arco de circunferencia

mv 2 qvB = = mω 2 r r

donde ω = 2π f es la frecuencia angular o pulsación del oscilador y f la frecuencia. La máxima energía cinética a alcanzar por los iones será

1 Ec = mω 2 r 2 2 y dependerá, como se ve de la frecuencia del oscilador, el radio útil del instrumento y la masa del partícula acelerada. Este instrumento no resultó eficiente con electrones, ya que éstos tienen una masa tan pequeña (9,1 x 10-31kg), que se aceleran demasiado alcanzando velocidades relativistas, con lo cual la masa varía y los electrones se desincronizan en el haz. La corrección de esta desincronización dio lugar al sincrociclotrón.

Efecto Hall. El efecto Hall es el único efecto físico que permite determinar el signo de las cargas que producen una corriente. Consiste en hacer pasar una corriente por una placa conductora colocada en un campo magnético uniforme de inducción B. Como se esquematiza en el dibujo una carga positiva con velocidad v sufre una fuerza de Lorentz hacia arriba, que provocará un exceso de cargas sobre la cara superior de la placa hasta que éstas produzcan un campo eléctrico que la neutralice. Entre la cara superior entonces más positiva y la inferior en consecuencia más negativa aparecerá una diferencia de potencial V = E.d . Si en cambio las cargas son negativas, éstas se moverán en sentido contrario a la corriente convencional, o sea con velocidad –v, y serán desviadas en el mismo sentido que las cargas positivas.

FL B

h

+V

-V

+ + + + + + + + + + + + + +

d

v ++ ++ + + + + q+ + + + + + v+

q>0 q 0;  D ∫∫ .ndS > 0 S





∇.E > 0;  ∫∫ E.ndS > 0

(M.46)

S

Si tenemos sumideros, lo que significa para E y D cargas negativas :



∇.D < 0;  ∫∫ D.ndS < 0 S





∇.E < 0;  ∫∫ E.ndS < 0

(M.47)

S

Recordemos también que la divergencia y el flujo del campo eléctrico involucran todas las cargas en tanto que para el vector desplazamiento sólo contribuyen las cargas libres. Para la inducción magnética entonces, que no tiene fuentes ni sumideros es siempre



∇.B = 0;  B (M.48) ∫∫ .ndS = 0 S

Propiedades diferenciales e integrales. Como veremos más adelante, cuando veamos las ecuaciones de Maxwell, (las ecuaciones (M.44) ó (M.45) son una de ellas en su versión diferencia e integral respectivamente) un análisis similar puede hacerse con el campo eléctrico resultando que la expresión diferencial del Teorema de Gauss Eléctrico es



∇.D = ρ

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(M.49)

Las propiedades diferenciales son funciones puntuales y permiten hacer mas fácilmente muchos cálculos teóricos pues se puede trabajar independientemente de las condiciones de borde, cuidando simplemente de no tropezar con puntos singulares. No debe olvidarse, sin embargo, que experimentalmente sólo pueden medirse propiedades en forma integral por pequeñas que sean nuestras muestras y pequeños que sean nuestros instrumentos.

Bobinas de Helmholtz. Consideremos ahora el caso de dos bobinas planas bobinadas para producir campo en el mismo sentido , circulares de radio a, de poco espesor, colocadas en forma concéntrica y paralela a una distancia a, o sea a un radio de distancia..Esta configuración es ampliamente utilizada pues produce un campo magnético muy uniforme en su zona central. a a

La componente Bz de la inducción magnética sobre el eje de las bobinas será

     2  µ0 NIa  1 1  Bz = +  3 3  2  2 2   2  2  a a 2 2   z −  + a  z + + a     2 2        

(M.50)

El factor entre corchetes, desarrollado en serie hasta el grado 6 vale 16 . 5 ( 25. a )

2304 . 4 5 .z 5 3125. a

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O z

o sea, es independiente de z hasta el grado 3. La primera y segunda derivadas en z son nulas, indicando una gran uniformidad axial de la inducción magnética. Las otras componentes de B, no las hemos calculado pero ya hemos discutido que el problema tiene simetría azimutal, de revolución o cilíndrica, o sea que Bφ es constante si z y ρ lo son. La componente Bρ de la inducción se puede evaluar debido a que la divergencia de la inducción magnética es nula, usando al ecuación (B.5) del apéndice B. Pero usaremos un truco simple y gráfico x

z

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Veamos el problema en proyección sobre el plano xz. En esta proyección la coordenada x cumple en coordenadas cartesianas la misma función que la coordenada ρ cumple en coordenadas cilíndricas y valdrá que ∂Bz ∂Bx ∂B ∂B + =0⇒ z + ρ ∂z ∂x ∂z ∂ρ (M.51) ∂Bρ ∂Bz =− ∂z ∂ρ En consecuencia la inducción será también muy uniforme en la dirección transversal al eje de las bobinas (recordar, cerca del centro geométrico), siendo nulas la primera y segunda derivadas.

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