Magnetismo e inducción

Una brújula se orienta cerca de un imán, un motor gira cuando se conecta a una fuente y un generador produce corriente al mover una bobina en un campo magnético. Estos fenómenos no pertenecen a mundos separados. Todos expresan la relación entre cargas, movimiento y campos. La electricidad del capítulo anterior conduce al magnetismo porque una corriente no sólo transporta carga: también produce campo magnético.

El magnetismo parece al principio más extraño que la electricidad. No se observan cargas magnéticas aisladas en la experiencia ordinaria; los imanes tienen polos que aparecen siempre en pares. Además, una fuerza magnética no empuja en la dirección del movimiento de una carga, sino perpendicularmente a su velocidad y al campo. Esa geometría será la clave del capítulo.

21.1. Campo magnético: dirección y efecto#

El campo magnético se representa con el símbolo $\overrightarrow{B}$ y se mide en teslas. Se detecta por las fuerzas que ejerce sobre cargas en movimiento, corrientes e imanes. Una brújula se alinea con el campo magnético local porque su aguja magnetizada experimenta un torque que la orienta.

Las líneas de campo magnético forman lazos cerrados. Fuera de un imán de barra, convencionalmente salen cerca del polo norte y entran cerca del polo sur; dentro del imán continúan cerrando el circuito. Esta diferencia con el campo eléctrico se relaciona con el hecho de que no se han observado monopolos magnéticos aislados en la física establecida. Cortar un imán no separa un polo norte puro de un polo sur puro; produce imanes más pequeños con ambos polos.

El campo magnético terrestre ofrece un ejemplo natural, pero no debe confundirse con un imán rígido perfecto. El campo de la Tierra se genera por movimientos de material conductor en su núcleo externo y cambia con el tiempo. Para los fines de este capítulo basta entender que un campo magnético puede existir en una región y ejercer efectos medibles sobre sistemas magnéticos o cargas móviles.

21.2. Fuerza magnética sobre cargas móviles#

Una carga $q$ que se mueve con velocidad $\overrightarrow{v}$ en un campo magnético $\overrightarrow{B}$ experimenta, en el modelo clásico, una fuerza:

El producto vectorial indica que la fuerza es perpendicular a la velocidad y al campo. Su magnitud es:

donde $\theta$ es el ángulo entre $\overrightarrow{v}$ y $\overrightarrow{B}$. Si la carga se mueve paralela al campo, la fuerza magnética es cero. Si se mueve perpendicularmente, la fuerza es máxima.

Como la fuerza magnética es perpendicular a la velocidad, no realiza trabajo sobre una carga puntual en el modelo ideal. Puede cambiar la dirección del movimiento, pero no la rapidez. Una partícula cargada que entra perpendicularmente en un campo magnético uniforme describe una trayectoria circular si no actúan otras fuerzas relevantes. El campo proporciona la fuerza centrípeta sin cambiar la energía cinética.

Cuando también hay campo eléctrico, la fuerza total se llama fuerza de Lorentz:

Esta expresión muestra una diferencia esencial: el campo eléctrico puede cambiar la rapidez de una carga realizando trabajo; el campo magnético ideal sólo desvía su movimiento. En dispositivos reales, ambos campos suelen combinarse.

21.3. Fuerzas sobre corrientes y motores#

Una corriente en un conductor es carga en movimiento. Por eso un cable con corriente en un campo magnético puede experimentar una fuerza. Para un tramo recto de longitud $\overrightarrow{L}$ que transporta corriente $I$ en un campo uniforme:

La fuerza depende de la orientación del cable respecto del campo. Dos lados opuestos de una espira con corriente pueden experimentar fuerzas en sentidos opuestos, formando un par que produce rotación. Ese es el principio básico de un motor eléctrico: una corriente en una bobina dentro de un campo magnético experimenta un torque.

Un motor no convierte «magnetismo» en movimiento de manera misteriosa. Convierte energía eléctrica en energía mecánica mediante fuerzas electromagnéticas. La corriente mantiene interacciones con el campo; el diseño geométrico convierte esas fuerzas en giro; un conmutador o electrónica de control mantiene el torque en el sentido deseado en muchos motores.

El detalle de los motores reales pertenece a la ingeniería eléctrica. Aquí importa el mecanismo físico: cargas móviles en un campo magnético experimentan fuerzas perpendiculares que pueden producir rotación si la geometría del conductor lo permite.

21.4. Campos producidos por corrientes#

Las corrientes no sólo sienten campos magnéticos; también los producen. Alrededor de un cable recto con corriente aparece un campo magnético circular. La dirección se obtiene con una regla de mano derecha convencional: pulgar en el sentido de la corriente, dedos rodeando el cable en el sentido del campo.

Una espira de corriente produce un campo parecido al de un pequeño imán. Muchas espiras enrolladas forman un solenoide, cuyo campo interior puede aproximarse como uniforme si el solenoide es largo comparado con su diámetro. Introducir un material ferromagnético puede concentrar y aumentar el campo, aunque la respuesta del material depende de su estructura microscópica y de su historia magnética.

La atracción o repulsión entre corrientes paralelas se entiende por este doble papel. Cada corriente produce un campo; la otra corriente experimenta una fuerza en ese campo. De hecho, el ampere se relaciona históricamente con fuerzas entre conductores, aunque el SI moderno define unidades mediante constantes fundamentales.

21.5. Inducción electromagnética: cambiar flujo produce voltaje#

Michael Faraday descubrió que un campo magnético cambiante puede inducir una diferencia de potencial en un circuito. La idea se expresa con la ley de Faraday:

donde $\mathcal{E}$ es la fuerza electromotriz inducida y ${\mathrm{\Phi }}_B$ es el flujo magnético a través de una superficie delimitada por el circuito. Para un campo uniforme sobre un área plana, el flujo puede escribirse como:

donde $B$ es la magnitud del campo, $A$ el área y $\theta$ el ángulo entre el campo y la normal al área.

El signo negativo representa la ley de Lenz: la corriente inducida aparece en un sentido tal que se opone al cambio de flujo que la produce. Esta oposición no es intención de la naturaleza; es una consecuencia de la conservación de la energía. Si la corriente inducida reforzara sin límite el cambio que la causa, se obtendría energía sin trabajo externo.

El flujo puede cambiar de varias maneras: cambiando la intensidad del campo, el área de la espira, la orientación de la espira o introduciendo movimiento relativo entre circuito y campo. Por eso una bobina girando en un campo magnético puede generar voltaje alterno.

21.6. Generadores, transformadores e inducción mutua#

Un generador convierte energía mecánica en energía eléctrica. Al girar una bobina en un campo magnético, cambia el flujo a través de la bobina y se induce una fuerza electromotriz. La energía eléctrica entregada procede del trabajo mecánico que mantiene el giro contra los efectos electromagnéticos inducidos. No se genera energía desde la nada.

Un transformador usa inducción mutua entre dos bobinas acopladas por un núcleo magnético. Una corriente alterna en la bobina primaria produce un flujo magnético cambiante; ese flujo induce voltaje en la secundaria. La relación ideal entre voltajes depende del número de espiras:

Esta relación ideal supone acoplamiento perfecto, pérdidas despreciables y corriente alterna. En transformadores reales hay calentamiento, corrientes parásitas, histéresis, pérdidas por fuga y límites de material.

La inducción también produce efectos no deseados. Corrientes inducidas en piezas metálicas pueden calentar y disipar energía. En algunos casos se reducen mediante laminación de núcleos; en otros se aprovechan, como en calentamiento por inducción. El mismo mecanismo puede ser útil o problemático según el diseño.

21.7. Electromagnetismo: una interacción unificada#

Electricidad y magnetismo no son dos fuerzas independientes añadidas por separado. En la teoría electromagnética clásica, campos eléctricos y magnéticos forman un sistema unificado. Un campo eléctrico cambiante puede relacionarse con campo magnético; un campo magnético cambiante induce campo eléctrico. Las ecuaciones de Maxwell expresan esa estructura y predicen ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz en el vacío.

El capítulo siguiente tomará esa consecuencia: la luz es una onda electromagnética. Pero antes de llegar allí conviene conservar la idea central de este capítulo. El magnetismo aparece cuando la carga y el movimiento se combinan; la inducción aparece cuando cambia el flujo magnético; motores y generadores son dos direcciones de una misma conversión electromagnética entre energía eléctrica y mecánica.

Preguntas de transferencia#

Campo magnético y trabajo#

Ejemplo construido. Una partícula cargada entra en un campo magnético uniforme con velocidad perpendicular al campo. Ignorando otras fuerzas, ¿aumenta su rapidez?

Corriente inducida#

Ejemplo construido. Una espira permanece quieta en un campo magnético uniforme constante. ¿Debe aparecer corriente inducida sólo por estar dentro del campo?

Generador y conservación#

Ejemplo construido. Al conectar carga eléctrica a un generador manual, la manivela se vuelve más difícil de girar. ¿Cómo se interpreta físicamente?

Transformador ideal#

Ejemplo construido. Un transformador ideal duplica el voltaje en la bobina secundaria. ¿Duplica también la potencia entregada sin costo?

Fuentes y lecturas del capítulo#

OpenStax. University Physics Volume 2. Desarrolla magnetismo, fuerza de Lorentz, campos de corrientes, inducción, motores, generadores y transformadores. (OpenStax University Physics 2)

Richard P. Feynman, Robert B. Leighton y Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics, Volume II. Tratamiento conceptual amplio de electromagnetismo clásico. (Feynman Lectures, Volume II)

BIPM. The International System of Units. Referencia para tesla, weber, volt, ampere y unidades electromagnéticas derivadas. (SI Brochure)

NIST. Fundamental Physical Constants. Base de constantes electromagnéticas y relaciones de unidades usadas en el capítulo. (NIST Constants)

Bibliografía de la parte III · Bibliografía general

Última revisión editorial

28 de septiembre de 2026

Cierre de contenidos

28 de septiembre de 2026