FÍSICA · IMANES Y CAMPOS
Desde dos imanes que se atraen hasta una bobina que almacena energía: explora aplicaciones, distingue fuerza de energía y practica cálculos con inductancia, corriente y campo magnético.
Se mide en julios (J). El campo B se mide en teslas (T) y una fuerza se mide en newtons (N): son magnitudes diferentes. Al establecer corriente en una bobina se puede almacenar energía en el campo; al cambiar la posición de imanes, cambia la energía de interacción del sistema.
Los primeros casos muestran fenómenos magnéticos y explican qué ocurre con la energía; los últimos permiten calcularla. Los datos numéricos son didácticos y cada problema declara las condiciones de su modelo.
EJEMPLO 01
Dos imanes de barra tienen sus polos norte enfrentados. Los acercamos lentamente, manteniendo su orientación.
La repulsión se opone al acercamiento.
El trabajo externo contra esa fuerza aumenta la energía potencial del sistema.
Resultado: Aumenta la energía potencial de interacción
Condiciones: Imanes que mantienen su magnetización y orientación, sin pérdidas apreciables. Si pueden girar, la configuración cambia.
EJEMPLO 02
Un polo norte y uno sur se enfrentan. Al soltar uno de los imanes, este se acerca al otro.
La energía potencial de interacción disminuye mientras aumenta la energía cinética.
Para separarlos y recuperar la configuración inicial hay que aportar trabajo.
Resultado: Parte de la energía potencial pasa a movimiento
Condiciones: Modelo sin rozamiento durante el movimiento. Al chocar, parte de la energía se transforma en calor, sonido o deformación. El imán no es una fuente inagotable.
EJEMPLO 03
Una corriente eléctrica genera un campo magnético alrededor del conductor. Al establecer corriente en una bobina, parte de la energía suministrada queda almacenada en su campo.
Durante el aumento de corriente, la autoinducción se opone a ese cambio.
La fuente aporta energía al campo y, si existe resistencia, también compensa pérdidas por calentamiento.
Resultado: La fuente aporta energía al campo magnético
Condiciones: En un inductor ideal no hay pérdida resistiva. Una bobina real puede calentarse; energía almacenada y energía disipada son cantidades diferentes.
EJEMPLO 04
Una carga entra perpendicularmente en un campo magnético uniforme. La fuerza curva su trayectoria sin cambiar su rapidez.
Velocidad perpendicular al campo: trayectoria circular.
Con componentes paralela y perpendicular: trayectoria helicoidal. Si es totalmente paralela, no hay desviación magnética.
Resultado: La fuerza magnética sola no cambia su energía cinética
Condiciones: Solo actúa la fuerza magnética y se desprecia la radiación. Campo uniforme y estacionario; una carga inicialmente en reposo no recibe fuerza magnética.
EJEMPLO 05
En una demostración con limaduras alrededor de un imán, las partículas se magnetizan y tienden a orientarse. Cerca de zonas de campo más intenso pueden ser atraídas.
La orientación permite visualizar el patrón del campo.
La atracción traslacional depende de cómo varía el campo con la posición.
Resultado: Muestran una respuesta al campo, no hilos invisibles
Condiciones: Las líneas del campo son una representación. Las limaduras alteran algo el campo y no permiten medir su energía solo mirando el dibujo.
EJEMPLO 06
Un ferrofluido contiene partículas magnéticas muy pequeñas suspendidas en un líquido. En ciertas condiciones, su superficie forma picos.
La respuesta magnética compite con la gravedad y la tensión superficial.
La forma depende del campo y de las propiedades y cantidad de líquido.
Resultado: La superficie cambia de forma bajo el campo
Condiciones: No tiene que envolver por completo un imán. Los picos tampoco representan una medida directa de energía. Es una observación física, no una receta de preparación.
EJEMPLO 07
Una pieza de níquel ferromagnético puede ser atraída hacia una región de campo más intenso.
Su estructura magnética permite una respuesta mucho más intensa que la de muchos otros metales.
El movimiento puede transformar energía de interacción en energía cinética.
Resultado: El níquel puede responder fuertemente a un imán
Condiciones: Importan composición, temperatura y estado del material. No se extiende esta respuesta a cualquier aleación que contenga níquel.
EJEMPLO 08
Una pieza de cobalto ferromagnético puede ser atraída por un imán. No es necesario que esté pulverizada para ilustrar el fenómeno.
El material responde al campo aplicado.
Un campo no uniforme puede producir una fuerza neta sobre la pieza.
Resultado: La respuesta depende del material y del campo
Condiciones: La forma final no tiene por qué rodear el imán. La magnetización y la geometría condicionan la fuerza; «metal» no equivale a «fuertemente atraído».
EJEMPLO 09
En un motor sencillo, una espira con corriente recibe un par de fuerzas dentro de un campo magnético.
El par puede hacer girar el rotor.
Un conmutador invierte la corriente en los momentos adecuados para mantener el giro.
Resultado: La energía eléctrica se transforma en movimiento
Condiciones: Este ejemplo describe un motor sencillo con conmutador. La alimentación aporta la energía; no basta una supuesta repulsión constante entre imanes.
EJEMPLO 10
Al alimentar la bobina de un relé, su campo atrae una armadura móvil y cambia la posición de los contactos.
La fuente eléctrica suministra energía al sistema.
Parte produce movimiento y parte se almacena o se disipa en la bobina.
Resultado: La bobina permite mover una armadura
Condiciones: El diseño puede incorporar un resorte de retorno. No se supone que toda la energía eléctrica termine como trabajo útil.
EJEMPLO 11
Una manivela hace girar una bobina dentro de un campo magnético. El flujo variable induce una fuerza electromotriz.
Con un circuito cerrado, puede circular corriente hacia una carga.
Al entregar energía eléctrica, aparece una oposición al movimiento que exige trabajo mecánico.
Resultado: El trabajo mecánico alimenta la producción eléctrica
Condiciones: El imán contribuye al funcionamiento, pero no crea la energía entregada. Hay pérdidas y la potencia útil es menor que la entrada en una máquina real.
EJEMPLO 12
La corriente alterna del primario produce un flujo magnético variable que enlaza el secundario e induce tensión.
La energía procede de la fuente conectada al primario.
El secundario puede entregarla a una carga, con pérdidas en un equipo real.
Resultado: Un flujo variable acopla dos bobinas
Condiciones: Una corriente continua ya estabilizada no mantiene la inducción propia de un transformador convencional. Al conectar o desconectar sí hay transitorios.
EJEMPLO 13
Un inductor de L = 0,2 H conduce una corriente de I = 3 A. Calcula la energía almacenada.
U = ½LI².
U = ½ × 0,2 × 3² = 0,9 J.
Resultado: U = 0,9 J
Condiciones: Inductor lineal con inductancia constante. La energía crece con el cuadrado de la corriente; L se expresa en henrios e I en amperios.
EJEMPLO 14
En el mismo inductor de 0,2 H, la corriente aumenta de 3 A a 6 A.
U final = ½ × 0,2 × 6² = 3,6 J.
U final / U inicial = 3,6 / 0,9 = 4.
Resultado: La energía se multiplica por cuatro: 3,6 J
Condiciones: L permanece constante. Si un núcleo se satura, no debe aplicarse esta proporcionalidad usando una inductancia fija sin comprobarla.
EJEMPLO 15
Un inductor de 50 mH lleva 4 A.
50 mH = 0,050 H.
U = ½ × 0,050 × 4² = 0,4 J.
Resultado: U = 0,4 J
Condiciones: Se usa el modelo lineal. Introducir 50 como si fueran henrios produciría un resultado mil veces mayor.
EJEMPLO 16
En un inductor de 0,2 H, la corriente baja de 3 A a 1 A.
U inicial = ½ × 0,2 × 3² = 0,9 J; U final = ½ × 0,2 × 1² = 0,1 J.
Energía liberada por el campo = 0,9 − 0,1 = 0,8 J.
Resultado: Disminución de energía: 0,8 J
Condiciones: El destino depende del circuito: puede transferirse a otros elementos o disiparse. Los 0,8 J no equivalen necesariamente a trabajo útil recuperado.
EJEMPLO 17
En una región de vacío hay un campo magnético de B = 2 mT. Calcula su densidad de energía magnética.
B = 0,002 T; μ₀ ≈ 4π × 10⁻⁷ H/m.
u = B²/(2μ₀) ≈ 1,59 J/m³.
Resultado: u ≈ 1,59 J/m³
Condiciones: Esta expresión usa la permeabilidad del vacío. No se aplica sin más a materiales ferromagnéticos; u es densidad de energía, no energía total.
EJEMPLO 18
El campo del ejemplo anterior es uniforme en un volumen de 0,010 m³ de vacío.
U = uV.
U ≈ 1,59 × 0,010 ≈ 0,0159 J.
Resultado: U ≈ 0,0159 J en la región elegida
Condiciones: Solo se cuenta la región indicada. Si el campo cambia dentro del volumen hay que integrar su densidad; el campo exterior también puede almacenar energía.
EJEMPLO 19
Una carga positiva de 2 μC se mueve a 3 000 m/s perpendicularmente a un campo de 0,5 T.
F = |q|vB = 2 × 10⁻⁶ × 3 000 × 0,5 = 0,003 N.
Si v apunta a +x y B a +z, la fuerza apunta a −y. Para carga negativa, se invierte.
Resultado: F = 0,003 N = 3 mN
Condiciones: El resultado es fuerza, no julios. La potencia de esta fuerza sobre la carga es cero porque es perpendicular a su velocidad.
EJEMPLO 20
Un inductor lineal de 0,2 H almacena 0,9 J. Calcula la magnitud de la corriente.
I² = 2U/L = 2 × 0,9 / 0,2 = 9 A².
|I| = √9 = 3 A.
Resultado: La magnitud de la corriente es 3 A
Condiciones: La energía no determina el sentido de la corriente: +3 A y −3 A almacenan lo mismo en este modelo.
En las ecuaciones vectoriales, las letras en negrita representan vectores. El símbolo × indica producto vectorial y el punto · indica producto escalar.
El trabajo elemental es dW = F · dr, un producto escalar. Para una carga puntual, la fuerza magnética es perpendicular a su velocidad: F magnética · v = 0. Por eso esa fuerza sola no cambia la energía cinética de la carga.
Esto no impide que un motor convierta energía eléctrica en movimiento: hay una fuente, campos eléctricos, conductores y transferencia de energía en el sistema completo. Tampoco autoriza a afirmar que cualquier campo sea conservativo. En materiales con saturación o histéresis, las expresiones simples de almacenamiento requieren un modelo adecuado.
El campo magnético asigna un vector a cada punto del espacio y puede variar con el tiempo. Se origina en corrientes y en las propiedades magnéticas de la materia. La magnetita, Fe₃O₄, es un mineral magnético; hierro, níquel y cobalto son ejemplos conocidos de materiales que pueden presentar ferromagnetismo.
En un imán de barra, el efecto suele ser más intenso cerca de los extremos llamados polos. Esa descripción no sirve para cualquier forma de imán. Polos iguales se repelen y distintos se atraen en la disposición habitual de dos barras enfrentadas. Al dividir un imán ordinario se obtienen piezas con norte y sur; no se aísla uno de sus polos.
Una brújula que puede girar libremente tiende a alinearse con el campo magnético local. Su extremo norte apunta aproximadamente hacia el norte geográfico; la diferencia depende del lugar. Otros imanes, corrientes u obstáculos pueden alterar la orientación: no apunta siempre al norte exacto.
B se denomina campo magnético o inducción magnética y se mide en teslas. En el estudio de materiales también se usa H, llamado intensidad de campo magnético, en A/m. No se intercambian sus unidades ni se sustituyen sin conocer el medio.
CONTRASTE 01
Hierro, níquel y cobalto pueden mostrar ferromagnetismo. El cobre y el aluminio tienen respuestas magnéticas mucho más débiles en condiciones ordinarias.
La respuesta depende de la estructura del material, la temperatura y su composición.
Un metal puede conducir corriente sin comportarse como un imán permanente.
Resultado: Ser metálico no implica ser ferromagnético
Condiciones: No se dice que cobre o aluminio carezcan de toda respuesta magnética. Tampoco se atribuye el mismo comportamiento a todas las aleaciones.
CONTRASTE 02
Los campos eléctricos y magnéticos forman parte del electromagnetismo, pero distinguir sus contribuciones ayuda a seguir la energía.
Puede haber un campo magnético estacionario, como alrededor de un imán en reposo.
Un campo magnético variable puede inducir un campo eléctrico que haga trabajo sobre cargas.
Resultado: Un mismo marco físico, contribuciones distintas
Condiciones: La conservación de la energía del sistema no significa que todo campo eléctrico sea conservativo. El campo eléctrico inducido por un flujo variable puede no serlo.
Selección y desarrollo: Editorial Ejemplode. Revisión: 7 de octubre de 2026.