Líneas de campo

Las líneas de campo magnético ilustran el campo magnético. Sin embargo, también tienen una importancia física real, ya que la densidad de las líneas de campo muestra la intensidad de las fuerzas magnéticas y a través de su dirección se muestra también el sentido de las fuerzas magnéticas. Si se esparce polvo de hierro sobre una hoja de papel con un imán debajo, las partículas de hierro se disponen en estructuras lineales y parecen trazar de manera directa las líneas del campo magnético.

¿Cómo discurren las líneas de campo magnético?

Las líneas de campo siempre discurren del polo norte al polo sur de un imán. Sin embargo, las líneas de campo no terminan en el polo sur, sino que discurren por el interior del imán a través del material y regresan al polo norte.

Esto se debe a que no hay fuentes ni sumideros del campo magnético. Por lo tanto, no hay ningún material del que las líneas del campo magnético salgan sin volver a entrar y viceversa. En términos físicos, esto significa que no hay cargas magnéticas como una carga eléctrica positiva o negativa. Solo a partir de estas fuentes, las líneas de campo magnético discurrirían en línea recta.

¿Son las líneas de campo magnético un bucle cerrado?

Las líneas de campo B del campo magnético son líneas cerradas sin principio ni fin, pero también pueden extenderse hasta el infinito. Esto se debe a que el campo magnético es un campo de vórtices, tal y como lo describen matemáticamente las Ecuaciones de Maxwell. Como no hay cargas magnéticas individuales, no existe una fuente puntual de la que «salgan» las líneas del campo magnético, como ocurre con las cargas.

Líneas de campo magnético: relevantes al considerar el efecto de fuerza de los imanes

Las líneas de campo son relevantes al considerar el efecto de fuerza de los imanes. Si este efecto de fuerza se ilustra mediante las líneas de campo, se ve que la fuerza de un imán actúa sobre un pequeño imán de muestra de manera tangencial a las líneas de campo. Además, la intensidad de la fuerza es proporcional a la densidad de las líneas de campo en el área del objeto de muestra. Si las líneas de campo se construyen geométricamente y se tiene en cuenta su densidad, las líneas de campo pueden emplearse para determinar la fuerza del imán para determinadas distancias de un imán de prueba o un material ferromagnético. A la inversa, el curso de las líneas de campo puede deducirse de las leyes físicas de la fuerza y la energía.

Imán sobre una superficie ferromagnética: curso de las líneas de campo

Si se acerca el polo norte de un imán a un material ferromagnético (p. ej., el hierro), las líneas de campo penetran en este material. Esto es así debido a que el hierro también está magnetizado. El hierro dirige su polo sur, generado por la magnetización, hacia el polo norte del imán, de tal manera que las líneas de campo del polo norte del imán apuntan directamente hacia el polo sur del hierro magnetizado. En la parte posterior del objeto de hierro o, en términos más generales, partiendo del área del polo norte del hierro magnetizado, las líneas de campo se dirigen hacia el polo sur del imán.

¿Por qué las líneas de campo magnético discurren de norte a sur?

La dirección de las líneas de campo magnético, es decir, la determinación de que discurran del polo norte al polo sur y no al revés, es una convención física. La única justificación científica es que debe haber dos polos. Simplemente se determinó cuál es el polo norte y cuál el polo sur.

¿Por qué no se cruzan las líneas de campo?

Las líneas de campo son un concepto fundamental de la física desarrollado para hacer visibles las fuerzas invisibles de los campos eléctricos y magnéticos o incluso los campos gravitatorios. Sirven como representaciones abstractas que ilustran la dirección e intensidad de estos campos en distintos puntos del espacio. El principio de que las líneas de campo no se cruzan se basa en la suposición lógica de que solo puede prevalecer una única fuerza en un punto determinado del espacio.

En realidad, las líneas de campo no existen físicamente, sino que son una herramienta que usan científicos e ingenieros para describir y analizar las propiedades de los campos. La idea de que las líneas de campo no se cruzan se basa en la descripción matemática de los campos mediante campos vectoriales. En un campo vectorial, a cada punto se le asigna un vector que indica la magnitud y la dirección de la fuerza en ese punto. La unicidad de estos vectores en cada punto significa que es imposible tener dos direcciones diferentes para la fuerza resultante sobre partículas ferromagnéticas (el efecto de la fuerza se representa mediante líneas de campo) en el mismo lugar sin violar los fundamentos del cálculo vectorial.

Este concepto no solo ayuda a ver y comprender las propiedades de los campos, sino que también permite aplicar leyes matemáticas y físicas, como la ley de Gauss de la electricidad y el magnetismo o la ley de la gravedad de Newton. Así se pueden realizar predicciones precisas sobre el comportamiento de las partículas dentro de estos campos y constituye la base del desarrollo de aplicaciones tecnológicas, desde motores eléctricos hasta órbitas de satélites.

En resumen, las líneas de campo son una herramienta esencial de la física que hace tangibles los conceptos abstractos. La regla según la cual las líneas de campo no se cruzan refleja la claridad y coherencia de las leyes físicas, aunque estas solo sean un modelo.

En los campos electromagnéticos, las líneas de campo representan, por tanto, la dirección de la fuerza que actúa sobre los materiales ferromagnéticos (en el caso de los campos magnéticos) en cada punto del espacio. No se cruzan, ya que la fuerza tiene una dirección clara en cada punto del espacio. Si las líneas de campo se cruzaran, implicaría que, en ese punto de cruce, la fuerza magnética resultante sobre las partículas tuviera dos direcciones simultáneamente; es decir, la partícula podría moverse aleatoriamente en dos direcciones diferentes, lo que no es físicamente cierto para objetos macroscópicos. Cuando se superponen fuerzas diferentes, se produce una fuerza resultante por la suma vectorial de estas dos «fuerzas parciales». La línea de campo apuntaría entonces en la dirección de esta fuerza resultante en ese punto. La unicidad de los vectores de fuerza en cada punto garantiza que las líneas de campo sean siempre paralelas y no se crucen. Este principio ayuda a comprender y ver la naturaleza continua y coherente de los campos de fuerza.

Cómo hacer visibles las líneas de campo magnético

Con la ayuda de polvo de hierro, se pueden hacer visibles las líneas de campo magnético. El polvo de hierro se dispone en estructuras lineales en un campo magnético. Para este tipo de experimentos se suelen utilizar barras magnéticas o imanes de herradura. A continuación, encontrará algunos productos adecuados en la tienda online de supermagnete.

Encontrará fuentes de inspiración para realizar experimentos interesantes en el proyecto «Líneas de campo en 3D» o en el vídeo enlazado a continuación.