Tippens fisica 7e_diapositivas_29

Capítulo 29 – Campos magnéicos
Presentación PowerPoint de
Paul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State University
©

2007

Objetivos: Después de completar
ese módulo deberá:

• Definir el campo magnético, discutir los
polos magnéticos y las líneas de flujo.
• Resolver problemas que involucren la
magnitud y dirección de fuerzas sobre
cargas que se mueven en un campo
magnético.
• Resolver problemas que involucren la
magnitud y dirección de fuerzas sobre
conductores portadores de corriente en un
campo B.

Magnetismo
Desde la antigüedad se sabe que ciertos
materiales, llamados imanes, tienen la propiedad
de atraer pequeños trozos de metal. Esta
propiedad atractiva se llamó magnetismo.
S

Imán de barra

S

N

N

Polos magnéticos
Limaduras
de hierro

N

La intensidad de un imán se
concentra en los extremos,
llamados “polos” norte y sur
del imán.

S

Imán suspendido: el
extremo que busca el
N y el extremo que
busca el S son los
polos N y S.

W

N
S

N

Imán de barra

S

N
E

Brújula

Atracción-repulsión
magnética

S

S

N

N

N

Fuerzas
magnéticas: polos
iguales se repelen

S
S

N
N
S

Polos distintos se
atraen

Líneas de campo magnético
Las líneas de campo
magnético se pueden
describir al imaginar
una pequeña brújula
colocada en puntos
cercanos.

La dirección del
campo magnético B
en cualquier punto es
la misma que la
dirección que indica
esta brújula.

N

S

El campo B es fuerte
donde las líneas son
densas y débil donde las
líneas están esparcidas.

Líneas de campo entre imanes
Polos
distintos

Atracción

N

S

Salen de N
y entran a S

N
Polos iguales

N

Repulsión

Densidad de las líneas de
campo

Campo
eléctrico

Líneas de flujo de campo
magnético φ

∆N

∆Φ
B∝
∆A

∆A

S
Densidad de línea

∆N
E∝
∆A

∆A

∆φ

N

Densidad de línea

Al campo magnético B a veces se le llama
Al campo magnético B a veces se le llama
densidad de flujo en webers por metro cuadrado
densidad de flujo en webers por metro cuadrado
(Wb/m2).
(Wb/m2).

Densidad de flujo magnético
• Las líneas de flujo
magnético son continuas y
cerradas.
• La dirección es la del vector
B en dicho punto.
• Las líneas de flujo NO están
en la dirección de la fuerza
sino ⊥.

Cuando el área A es
Cuando el área A es
perpendicular al flujo:
perpendicular al flujo:

Φ
B=
A

∆A

∆φ

Densidad de
flujo magnético:

Φ
B = ; Φ = BA
A

La unidad de densidad de flujo es el weber por metro cuadrado.

Cálculo de densidad de flujo
cuando el área no es
perpendicular

El flujo que penetra al
área A cuando el vector
normal n forma un ángulo
θ con el campo B es:

Φ = BA cos θ

n
A

θ

α

B

El ángulo θ es el complemento del ángulo a que el plano
del área forma con el campo B. (cos θ = sin α)

Origen de campos
magnéticos

Recuerde que la intensidad de un campo eléctrico E
se definió como la fuerza eléctrica por unidad de
carga.
Puesto que no se han encontrado polos magnéticos
aislados, no se puede definir el campo magnético B
en términos de la fuerza magnética por unidad de
polo norte.
En vez de ello se verá que los
En vez de ello se verá que los
campos magnéticos resultan
campos magnéticos resultan
de cargas en movimiento, no
de cargas en movimiento, no
de carga o polos
de carga o polos
estacionarios. Este hecho se
estacionarios. Este hecho se
cubrirá más tarde.
cubrirá más tarde.

E

+
+

v

B⊥ v

Fuerza magnética sobre carga en
movimiento
Imagine un tubo que
proyecta carga +q con
velocidad v en el campo
B perpendicular.

F

N

B
v

S

El experimento muestra:

F ∝ qvB

Fuerza magnética F hacia arriba
sobre carga que se mueve en el
campo B.

Lo siguiente resulta en una mayor fuerza
magnética F: aumento en velocidad v, aumento en
carga q y un mayor campo magnético B.

Dirección de la fuerza magnética
Regla de la mano derecha:

Con la mano derecha
plana, apunte el pulgar en
dirección de la velocidad v,
dedos en dirección del
campo B. La palma de la
mano empuja en dirección
de la fuerza F.

F

B
v

N

F

B
v

S

La fuerza es mayor cuando la velocidad v es
La fuerza es mayor cuando la velocidad v es
perpendicular al campo B. La desviación
perpendicular al campo B. La desviación
disminuye a cero para movimiento paralelo.
disminuye a cero para movimiento paralelo.

Fuerza y ángulo de trayectoria
N
N
N

S
S
S

La fuerza de desviación es
mayor cuando la trayectoria
es perpendicular al campo.
Es menor en paralelo.

F ∝ v senθ
F
v sen θ

θ

v

B

v

Definición del campo B
Observaciones experimentales muestran lo siguiente:

F ∝ qv senθ

o

F
= constante
qv senθ

Al elegir las unidades adecuadas para la constante de
proporcionalidad, ahora se puede definir el campo B como:
Intensidad de campo
magnético B:

B =

F
qv senθ

o

F = qvB senθ

Una intensidad de campo magnético de un tesla (T)
Una intensidad de campo magnético de un tesla (T)
existe en una región del espacio donde una carga
existe en una región del espacio donde una carga
de un coulomb (C) que se mueve a 1 m/s
de un coulomb (C) que se mueve a 1 m/s
perpendicular al campo B experimentará una fuerza
perpendicular al campo B experimentará una fuerza
de un newton (N).
de un newton (N).

Ejemplo 1. Una carga de 2 nC se proyecta como se
muestra con una velocidad de 5 x 104 m/s en un
ángulo de 300 con un campo magnético de 3 mT.
¿Cuáles son la magnitud y dirección de la fuerza
resultante?
Dibuje un bosquejo burdo.
q = 2 x 10-9 C v
= 5 x 104 m/s
v sen φ
B = 3 x 10-3 T θ
= 300

F

B
300

v

B

v

Al usar la regla de la mano derecha, se ve que la fuerza es
hacia arriba.
F = qvBsenθ = (2 × 10 −9 C)(5 × 10 4 m/s)(3 × 10 −3 T)sen30°
Fuerza magnética resultante: F = 1.50 x 10-7 N, hacia arriba
Fuerza magnética resultante: F = 1.50 x 10-7 N, hacia arriba

Fuerzas sobre cargas negativas
Las fuerzas sobre cargas negativas son opuestas a las que
Las fuerzas sobre cargas negativas son opuestas a las que
ocurren sobre fuerzas positivas. La fuerza sobre la carga
ocurren sobre fuerzas positivas. La fuerza sobre la carga
negativa requiere una regla de la mano izquierda para
negativa requiere una regla de la mano izquierda para
mostrar fuerza F hacia abajo..
mostrar fuerza F hacia abajo
Regla de
mano
derecha
para q
positiva

N

F

B
v

S

Regla de
mano
izquierda
para q
negativa

N

F

B
v

S

Cómo indicar la dirección de los
campos B

Una forma de indicar las direcciones de los campos
perpendiculares a un plano es usar cruces X y puntos • :
Un campo dirigido hacia el papel
se denota mediante una cruz “X”
como las plumas de una flecha.

•
•
•
•

•
•
•
•

•
•
•
•

•
•
•
•

X X X
X X
X X X
X X X
X

X
X
X
X

Un campo dirigido afuera del papel
se denota mediante un punto “•”
como la parte frontal de una flecha.

Práctica con direcciones:
¿Cuál es la dirección de la fuerza F sobre la carga
¿Cuál es la dirección de la fuerza F sobre la carga
en cada uno de los ejemplos siguientes?
en cada uno de los ejemplos siguientes?
X
X
X
X
•
•
•
•

F
X X X
X +X vX
X X X
X X X

F
• • •
• • v•
• - • •
q negativa
• • •

Arriba
Izquierda

Arriba

v
X X X
FX X
+
X X X
X X X
X
•
•
•
•

X
X
X
X

• • •
• • F•
• - • •
v
• • •

Derecha

Campos E y B cruzados
El movimiento de partículas cargadas, como los
El movimiento de partículas cargadas, como los
electrones, se puede controlar mediante campos
electrones, se puede controlar mediante campos
eléctricos y magnéticos combinados.
eléctricos y magnéticos combinados.
Nota: FE sobre el
electrón es hacia arriba
y opuesta al campo E.

+

Pero, FB sobre el electrón
es hacia abajo (regla de la
mano izquierda).

Desviación cero
cuando FB = FE

ev

x x x x
x x x x

FE
E

B
-e v

B
F
B

-

v

Selector de velocidad
Este dispositivo usa campos cruzados para seleccionar
Este dispositivo usa campos cruzados para seleccionar
sólo aquellas velocidades para las que FBB= FEE.
sólo aquellas velocidades para las que F = F .
(Verifique las direcciones para +q)
(Verifique las direcciones para +q)
Cuando FB = FE :

qvB = qE

E
v=
B

Fuente
de +q

+
x x x x
x x x x

+q
v

-

Selector de
velocidad

Al ajustar los campos E y/o B, una persona puede
Al ajustar los campos E y/o B, una persona puede
seleccionar sólo aquellos iones con la velocidad deseada.
seleccionar sólo aquellos iones con la velocidad deseada.

Ejemplo 2. Un ión de litio, q = +1.6 x 10-16 C, se
proyecta hacia un selector de velocidad donde B =
20 mT. El campo E se ajusta para seleccionar una
velocidad de 1.5 x 106 m/s. ¿Cuál es el campo
eléctrico E?

E
v=
B
E = vB

Fuente
de +q

+
x x x x
x x x x

V

E = (1.5 x 106 m/s)(20 x 10-3 T);

+q
v

-

E = 3.00 x 1044V/m
E = 3.00 x 10 V/m

Movimiento circular en campo B
La fuerza magnética F sobre una carga en
La fuerza magnética F sobre una carga en
movimiento siempre es perpendicular a su velocidad
movimiento siempre es perpendicular a su velocidad
v. Por tanto, una carga que se mueve en un campo B
v. Por tanto, una carga que se mueve en un campo B
experimentará una fuerza centrípeta.
experimentará una fuerza centrípeta.

mv 2
FC =
; FB = qvB;
R

Fc centrípeta = FB

FC = FB

X

X

X

X

X

X

X Fc
X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

2

mv
= qvB
R

El radio de la
El radio de la
trayectoria es:
trayectoria es:

mv
R=
qB

+

X
X

+

+X X X X
R
X

X X

X

+

X

Espectrómetro de masa
+q

E
v=
B
+

xx
Placa
- xx
fotográfica
xx
R
xx
x x x x x x x x x x
rendija x x x x x x x
x x
x x x x x
x x x
x x x
x x x x m2

mv 2
= qvB
R

m1

Iones que pasan a través
de un selector de velocidad
con una velocidad conocida
llegan a un campo
magnético como se
muestra. El radio es:

mv
R=
qB
La masa se encuentra
al medir el radio R:

qBR
m=
v

Ejemplo 3. Un ión de neón, q = 1.6 x 10-19 C, sigue una
trayectoria de 7.28 cm de radio. Superior e inferior B =
0.5 T y E = 1000 V/m. ¿Cuál es su masa?
+q

rendija

xx
xx
xx
xx
x x
x x
x x
x x

E
v=
+ B

Placa
fotográfica

R

x x x x x x
x x x x x x
x x x
x x
x x
x
x x x

E 1000 V/m
v= =
B
0.5 T
v = 2000 m/s

m

mv
R=
qB

(1.6 x 10-19C)(0.5 T)(0.0728 m)
m=
2000 m/s

qBR
m=
v
m = 2.91 x 10-24 kg
m = 2.91 x 10-24 kg

Resumen
La dirección de las fuerzas sobre una carga que se
La dirección de las fuerzas sobre una carga que se
mueve en un campo eléctrico se puede determinar
mueve en un campo eléctrico se puede determinar
mediante la regla de la mano derecha para cargas
mediante la regla de la mano derecha para cargas
positivas y la regla de la mano izquierda para cargas
positivas y la regla de la mano izquierda para cargas
negativas.
negativas.
B
Regla de la
mano derecha
para q positiva

N

F

B
v

S

Regla de la
mano
izquierda para
q negativa

N

F

v

S

Resumen (continúa)
F
v sen θ

θ

Para una carga que se
mueve en un campo B, la
magnitud de la fuerza
está dada por:

v

B

v

F = qvB sen θ

Resumen (continúa)
Selector de
velocidad:

E
v=
B
Espectrómetro de
masas:

mv
R=
qB

qBR
m=
v

+
x x x
x x x
x x

-

V

+q x x

-

rendija

+q
v

E
v=
B
R

xx +
xx
xx
x x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x
x x x x x

m

CONCLUSIÓN: Capítulo 29
Campos magnéticos

Tippens fisica 7e_diapositivas_29

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Tippens fisica 7e_diapositivas_29

Similar a Tippens fisica 7e_diapositivas_29 (20)

Más de Robert

Más de Robert (20)

Tippens fisica 7e_diapositivas_29

Notas del editor