Es conocido que un conductor por el que circula una corriente sufre una fuerza en presencia de un campo magnético. Las cargas en movimiento experimentan una fuerza en un campo magnético, y si estas cargas están en un cable (es decir, si este porta una corriente), también debería experimentar una fuerza. La ley de Lorentz posibilita calcular la fuerza que actúa sobre una carga y se define mediante la ecuación F = q · v · B.
Fundamentos del movimiento de cargas en campos magnéticos
La carga se ve sometida a una fuerza solo en el caso en que esté moviéndose a una cierta velocidad v. Si la carga está en reposo, el campo B no ejerce ninguna fuerza sobre ella. La fuerza es máxima cuando la velocidad de la carga v y el campo B son perpendiculares y es nula cuando son paralelos. Al ser la fuerza siempre perpendicular a v, no producirá un cambio en el módulo de la velocidad; el efecto que produce sobre la carga es simplemente torcer su trayectoria. Si la fuerza magnética es la única que actúa, se convierte en la fuerza centrípeta que obliga a la carga a describir una trayectoria circular.
Reglas para determinar la dirección
Para determinar la dirección de la fuerza magnética, se utiliza la regla de la mano izquierda o la regla de la mano derecha. Si colocas el dedo corazón en el sentido de v y el índice en el sentido de B, el pulgar marcará el sentido de F para una carga positiva. La dirección de esta fuerza en un conductor viene dada por la regla de la mano derecha (RHR-1), en la que se apuntan los dedos en la dirección de la corriente y se curvan hacia el campo.
Fuerza sobre un conductor rígido
La corriente eléctrica es un movimiento ordenado de carga, por lo tanto, un cable portador de corriente en un campo magnético debe experimentar una fuerza debida al campo. La fuerza magnética sobre un cable portador de corriente en un campo magnético viene dada por la expresión:
F = I · l × B
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Para determinar la fuerza magnética sobre un cable de longitud y forma arbitrarias, debemos integrar esta relación en todo el cable. En el caso de un campo magnético uniforme, se pueden observar las siguientes características según la configuración:
- Equilibrio: Según el diagrama de cuerpo libre, las tensiones en los cables de soporte llegan a cero cuando las fuerzas gravitacionales y magnéticas se equilibran.
- Sistemas cerrados: La fuerza total sobre cualquier bucle cerrado en un campo magnético uniforme es cero.
Tabla: Análisis de fuerzas en cables
| Parámetro | Descripción |
|---|---|
| Fuerza diferencial | F = I · dl × B |
| Fuerza máxima | Ocurre cuando el ángulo entre el cable y el campo es de 90° (sen θ = 1) |
| Fuerza neta | Es cero para bucles cerrados en un campo uniforme |
Aplicaciones prácticas
La comprensión de la fuerza de Lorentz permite el desarrollo de dispositivos fundamentales en la física moderna:
- Ciclotrón: Aplicación para acelerar partículas cargadas con el fin de bombardear núcleos atómicos y provocar reacciones nucleares, combinando campos magnéticos y eléctricos.
- Espectrómetro de masas: Utilizado para el análisis de partículas cargadas.
- Dispositivos electrónicos: Aplicaciones diversas que aprovechan la desviación de electrones, como en los televisores.
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