Fuerza sobre una carga en movimiento
Sobre una carga eléctrica en movimiento que atraviese un campo magnético aparece una fuerza denominada Fuerza Magnética. Ésta modifica la dirección de la velocidad, sin modificar su módulo. El sentido se calcula por la regla de la mano derecha (índice = velocidad, mayor = campo, pulgar = fuerza, formando 90 grados entre cada uno de los tres dedos). El sentido de la fuerza es para cargas positivas. Si las cargas son negativas el sentido es el opuesto al obtenido con la regla de la mano derecha.
Todo conductor por el cual circula una corriente eléctrica esta rodeado de un campo magnético. En virtud de que una corriente eléctrica es un flujo de electrones, cada uno de ellos constituye una partícula cargada en movimiento generadora de un campo magnético a su alrededor. Por ello, cuando un electrón en movimiento con su propio campo magnético penetra en forma perpendicular dentro de otro campo producido por un imán o una corriente eléctrica, los dos campos magnéticos interactúan entre si. En general, los campos magnéticos actúan sobre las partículas cargadas desviándolas de sus trayectorias a consecuencia del efecto de una fuerza magnética llamada fuerza de Ampere.
Cuando una partícula cargada se mueve perpendicularmente a un campo magnético, recibe una fuerza magnética cuya dirección es perpendicular a la dirección de su movimiento y a la dirección de la inducción magnética o densidad de flujo; por tanto, la partícula se desvía y sigue una trayectoria circular. Cuando una carga se mueve paralelamente a las líneas magnéticas del campo, no sufre ninguna desviación. Si la trayectoria de la partícula es en forma oblicua con una cierta inclinación respecto a las líneas de fuerza de un campo magnético, la partícula cargada se desviara y describirá una trayectoria en forma de espiral.
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Cuando la trayectoria del movimiento de la partícula forma un ángulo θ con la inducción magnética B, la magnitud de la fuerza recibida por la partícula será proporcional a la componente de la velocidad perpendicular a B. Por tanto, la fuerza F se determina con la expresión:
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Donde:
F = Fuerza recibida por una partícula cargada en movimiento, su unidad en el SI es el newton (N)
v = velocidad que lleva la carga, se expresa en (m/s)
B =inducción magnética del campo, se mide en teslas (T)
θ = ángulo formado por la dirección de la velocidad que lleva la partícula y la inducción magnética.
Para determinar la dirección de la fuerza magnética recibida por una carga que se mueve en forma perpendicular a las líneas de fuerza de un campo magnético, se emplea la regla de los tres dedos de la siguiente manera: los tres primeros dedos de la mano derecha se disponen extendidos perpendicularmente uno respecto al otro, el dedo índice indicara la dirección del campo magnético, el medio representara la dirección de la velocidad con cual se mueve una carga negativa, es decir, la corriente, y el pulgar señalara la dirección de la fuerza magnética que recibe la carga. Cuando la carga que se mueve perpendicularmente a un campo magnético es positiva, se emplea la mano izquierda de la misma manera.
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Por definición: la inducción magnética o densidad de flujo en un punto de un campo magnético equivale a una tesla, cuando una carga de un coulomb al penetrar perpendicularmente al campo magnético con una velocidad igual a un metro por segundo, recibe, en dicho punto, la fuerza magnética de un newton.
Fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente
Como y a señalamos, un conductor por el que circula una corriente esta rodeado de un campo magnético. Si el conductor se introduce en forma perpendicular a un campo magnético recibirá una fuerza lateral cuyo valor se determina con la expresión matemática:
F = BIL
Donde:
F =fuerza magnética que recibe el conductor expresada en newtons (N)
B =inducción magnética medida en teslas (T)
I =intensidad de la corriente eléctrica que circula por el conductor medida en amperes (A)
L =longitud del conductor sumergido en el campo magnético, se expresa en metros (m)
La demostración de la ecuación anterior la obtenemos a partir de la expresión usada para calcular la fuerza que recibe una carga en movimiento al penetrar perpendicularmente a un campo magnético, de la siguiente manera:
F = qvB……………. (1)
Como v equivale a una longitud recorrida en un determinado tiempo, se tiene:
v = L …………….. (2)
t
Sustituyendo 2 en 1:
F = q L B…………… (3)
t
Como q es la carga que circula por el conductor en un determinado tiempo t, la intensidad de la corriente es igual a:
q = I ………………..(4)
t
Sustituyendo 4 en 3 nos queda:
F = BIL
De la misma manera que sucede par una carga móvil, si el conductor por el cual circula una corriente forma un ángulo θ con el campo magnético, la fuerza recibida se determina con la expresión:
F = BIL sen θ
Fuerza magnética entre dos conductores paralelos por los que circula una corriente
En virtud de que una carga en movimiento genera a su alrededor un campo magnético, cuando dos cargas eléctricas se mueven en forma paralela interactúan sus respectivos campos y se produce una fuerza magnética entre ellas. La fuerza magnética es de atracción si las cargas que se mueven paralelamente son del mismo signo y se desplazan en igual sentido, o bien, cuando las cargas son de signo y movimiento contrarios. Evidentemente, la fuerza electromagnética será de repulsión si las cargas son de igual signo y con diferente sentido; o si son de signo contrario y su dirección es en el mismo sentido.
Cuando se tienen dos alambres rectos, largos y paralelos y por ellos circula una corriente eléctrica, debido a la interacción de sus campos magnéticos, se produce una fuerza entre ellos que puede calcularse con la siguiente expresión:
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Donde:
F = fuerza magnética entre dos conductores rectos, largos y paralelos, se mide en newtons (N)
µ0 = permeabilidad magnética del vacío igual a 4π x 10-7 Tm/A
I1 = intensidad de la corriente en el primer conductor calculada en amperes (A)
I2 = intensidad de la corriente en el segundo conductor calculada en amperes (A)
L =longitud considerada de los conductores medida en metros (m)
r =distancia entre los dos conductores, también con sus unidades en metros (m)
La fuerza entre los alambres conductores paralelos será de atracción si las corrientes van en el mismo sentido, pero si este es opuesto la fuerza será de repulsión. Recuérdese que para fines prácticos cuando los alambres se encuentran en el aire se considera como si estuvieran en el vacío.
Como la relación µ0 / 2 π equivale a:
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Y como:
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Tenemos que:
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Donde: Km = constante magnética cuyo valor es 1 x 10-7 N/A2
Por tanto, la expresión para calcular la fuerza magnética entre dos conductores paralelos por los que circula una corriente se reduce a:
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