Cómo funcionan los campos magnéticos: polos, líneas de campo y brújulas

Polos y las dos reglas simples

Cada imán común tiene dos extremos donde la atracción es más fuerte. Los llamamos polo norte y polo sur. Si cortas un imán de barra por la mitad, no obtienes una pieza norte y otra sur. Obtienes dos imanes más pequeños, cada uno con su propio par de polos.

Las fuerzas entre polos siguen una regla sencilla: los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. Dos extremos norte se empujan entre sí, dos extremos sur se empujan entre sí, y un extremo norte atrae hacia un extremo sur.

Por eso un imán puede tanto atraer como repeler, algo que la gravedad nunca hace. También da una pista de por qué los polos siempre vienen en pareja: un imán es un dipolo.

Qué es un campo magnético

Un imán cambia el espacio a su alrededor. En cada punto hay un campo magnético, escrito B, que tiene tanto una intensidad como una dirección. Lo medimos en tesla (T). Un imán de nevera produce unas pocas milésimas de tesla cerca de su superficie. El campo de la Tierra en la superficie es de solo unas cincuenta millonésimas de tesla.

Otro imán o un trozo de hierro colocado en ese espacio siente una fuerza debido al campo allí presente. El campo es lo que transmite la interacción a través del espacio vacío. Esa es una idea más potente que «los imanes se atraen entre sí», porque funciona incluso si quitas el segundo imán: el campo sigue estando ahí.

Cómo leer las líneas de campo

No podemos ver un campo, así que dibujamos líneas de campo. Algunas reglas las hacen fáciles de leer:

• la línea en cualquier punto muestra la dirección en la que apunta el campo allí,
• las líneas salen del polo norte y entran en el polo sur, y
• las líneas muy juntas indican un campo más fuerte, mientras que las líneas separadas indican uno más débil.

Si espolvoreas limaduras de hierro sobre un papel que cubre un imán de barra, cada limadura se convierte en un mini imán que se alinea con el campo. Se agrupan en el mismo patrón curvo que muestran los diagramas, más densas cerca de los polos y más tenues lejos de ellos. Las líneas de campo nunca se cruzan, porque el campo en un punto solo puede apuntar en una dirección.

Las brújulas leen el campo

La aguja de una brújula es un pequeño imán que puede girar libremente. Su extremo norte gira para apuntar a lo largo del campo local. Eso convierte a la brújula en un detector de la dirección del campo, y es así como puedes mapear un campo punto por punto. Lejos de imanes cercanos, el campo que siente es el de la Tierra, por lo que la aguja se orienta hacia el norte geográfico. Dado que los polos opuestos se atraen, la parte de la Tierra cerca del polo norte geográfico se comporta como un polo magnético sur.

Por qué el campo se debilita tan rápido

Lejos de un imán pequeño, el campo disminuye según 1 / r³, donde r es la distancia desde su centro. Si duplicas la distancia, el campo se reduce a una octava parte. Si la triplicas, baja a una veintisieteava parte.

La razón es la estructura de dipolo. Un imán tiene un polo norte y un polo sur muy cerca entre sí, y desde lejos sus efectos se cancelan parcialmente. Compara esto con la regla más simple de 1 / r² para una fuente aislada única. Un dipolo no tiene una sola fuente a la que seguir, por lo que el efecto residual desaparece más rápido.

Por eso un imán fuerte puede levantar un clavo desde unos pocos milímetros de distancia, pero no tiene efecto desde un metro. La simulación muestra esto como un campo que se adelgaza rápidamente en cuanto alejas tu sonda.

Sumar campos y puntos neutros

Cuando dos imanes están cerca, sus campos se suman como vectores, punto por punto. Esto se llama superposición. Si dos campos apuntan en la misma dirección, se refuerzan. Si apuntan en direcciones opuestas con la misma magnitud, se cancelan.

Un punto donde el campo total es exactamente cero es un punto neutro. Una brújula colocada allí no tiene una dirección preferida, por lo que la aguja puede asentarse en cualquier orientación. Puedes encontrar estos puntos apuntando dos polos iguales entre sí: los campos se empujan, y en algún lugar entre los imanes se equilibran.

Ideas erróneas comunes

• "Los imanes atraen todo lo metálico." Solo unos pocos materiales, principalmente hierro, níquel y cobalto, responden con fuerza. Las latas de aluminio y las monedas de cobre no se pegan.
• "Una brújula apunta a un polo del imán cercano." Apunta a lo largo del campo local, que es curvo. Cerca de un imán, puede apuntar a un lugar muy alejado del polo más cercano.
• "Las líneas de campo son cuerdas reales." Son una herramienta de dibujo. El campo existe en todas partes, no solo a lo largo de las líneas.
• "El polo norte de la Tierra es un polo norte magnético." En términos magnéticos es lo contrario, como muestra la lógica de la brújula anterior.

Cómo explorar esto en el laboratorio

El Laboratorio de Campos te permite colocar imanes, arrastrar sondas y ver el campo en 3D. Un orden sugerido para el primer mundo gratis:

1. Prueba la regla de empuje y atracción en Polos y fuerzas.
2. Dibuja lo invisible con Líneas de campo y limaduras de hierro.
3. Descubre por qué una aguja oscila en La brújula y el campo terrestre.
4. Mide la caída en Los campos se desvanecen rápido y luego busca ceros en Puntos neutros.

El laboratorio es un modelo educativo simplificado con imanes idealizados, por lo que las formas son más limpias que los campos desordenados de los imanes reales e irregulares. Las ideas siguen siendo aplicables.