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ACTIVIDADES: el experimento de Oersted y la relación entre electricidad y magnetismo

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Respuesta rápida

La corriente en un hilo produce un campo magnético toroidal $B=\mu_0 I/(2\pi r)$ que desvía la brújula perpendicularmente al hilo; invertir $I$ invierte el campo, y el efecto es recíproco: el imán también fuerza sobre la bobina, que actúa como electroimán.

📚 exercise fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 146

Fisica 2° · 2024

Ejercicio 1

Actividad 1 — Lectura del planteamiento: Oersted y la relación entre electricidad y magnetismo

Enunciado: leer el planteamiento sobre la analogía entre magnetismo y electricidad, el descubrimiento accidental de Oersted en 1820 y la simetría del efecto, y realizar las actividades que lo acompañan (según el texto, continúan en la página siguiente).

Análisis del contenido de la lectura

Primer intento (fracasado): se buscó una relación entre cargas eléctricas e imanes. Al acercar un objeto cargado a un imán solo se observó una atracción global, igual a la que hay entre un objeto cargado y uno neutro. Como no hubo orientación del objeto cargado, no se produjo interacción magnética: la fuerza fue eléctrica de tipo atractivo (neutralización/apilación de carga) y no magnética.
Hallazgo de Oersted (1820): usando una pila análoga a la de Volta (1800), observó que la aguja de una brújula se desviaba cerca de un hilo conductor por el que circulaba corriente. Con pilas más potentes la aguja oscilaba hasta formar un ángulo recto con el hilo: la aguja se orienta tangencialmente al círculo que rodea al hilo.
Geometría del campo magnético de un hilo recto: al desplazar la brújula en la dirección que señala la aguja, esta describe un círculo alrededor del hilo. El campo magnético $\vec{B}$ generado por el hilo es toroidal (líneas circulares concéntricas) y su magnitud es $B = \frac{\mu_0 \, I}{2 \pi \, r}$ donde $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \, \text{T} \cdot \text{m/A}$ es la permeabilidad del vacío, $I$ la corriente y $r$ la distancia al eje del hilo. El campo es mayor cuanto mayor es $I$ y menor cuanto más se aleja la brújula ( $B \propto I/r$ ).
Sentido de la corriente y de la aguja: al invertir el sentido de la corriente eléctrica se invierte el sentido de la aguja. Esto se explica con la regla de la mano derecha: si el pulgar apunta en el sentido de la corriente, los dedos curvados dan el sentido del campo $\vec{B}$ (antihorario o horario según el sentido de $I$ ).
Los efectos no son de sombra: el campo magnético atraviesa placas de vidrio, metal o madera entre el hilo y la brújula, porque el campo magnético no se bloquea con esos materiales (a diferencia de la luz o del campo eléctrico electrostático con blindaje conductor).
Simetría del fenómeno (acción–reacción): Oersted demostró que la interacción es recíproca. La corriente ejerce fuerza sobre el imán (la aguja), y el imán ejerce fuerza sobre la bobina (carrete). Un extremo de la bobina actúa como polo norte y el otro como polo sur, es decir, una bobina con corriente es un electroimán equivalente a un imán con dipolo magnético. Se cumple la tercera ley de Newton: $\vec{F}_{\text{corriente sobre imán}} = -\vec{F}_{\text{imán sobre corriente}}$ .

Respuestas orientativas a las actividades derivadas del texto

Ejercicio a

¿Por qué los primeros intentos fracasaron?** Porque se esperaba una interacción magnética (con orientación) entre cargas e imanes, pero solo apareció una atracción electrostática global entre la carga y el imán (que actúa como cuerpo neutro). Sin orientación no hay campo magnético, solo campo eléctrico inducido/apilado.

Ejercicio b

¿Qué observó Oersted exactamente?** Que la aguja de la brújula se desvía y se orienta perpendicularmente al hilo conductor, trazando círculos alrededor de él, y que ese efecto cambia de sentido al invertir la corriente.

Ejercicio c

¿Por qué se afirma que el efecto es simétrico?** Porque no solo el hilo con corriente actúa sobre el imán: el imán también ejerce fuerza sobre la bobina, y la bobina se comporta como un imán con polo norte en un extremo y polo sur en el otro.

Ejercicio d

Comprobación conceptual (regla de la mano derecha):** si la corriente va hacia la derecha ($+ \rightarrow$), el campo bajo el hilo apunta hacia el lector y sobre él apunta hacia el fondo; por eso la aguja (bicolor) se desvía hacia la posición que traza un círculo alrededor del conductor.

Respuesta global: la lectura demuestra que la corriente eléctrica genera campo magnético (efecto Oersted) y que la interacción corriente–imán es recíproca, estableciendo la unidad conceptual entre electricidad y magnetismo que más tarde desarrollaría Ampère.

Nota: el enunciado indica "realizo las actividades a continuación", pero el listado concreto de actividades no aparece en esta página; continúa en la página siguiente (147).

Contenido de la página

ACTIVIDADES

1. Leo el siguiente planteamiento y realizo las actividades a continuación:

La analogía entre el magnetismo y la electricidad promovió la búsqueda de una relación que pudiera explicar sus características comunes. Sin embargo, los primeros intentos para investigar una posible relación entre cargas eléctricas e imanes resultaron infructuosos y mostraron que, al poner objetos cargados en presencia de imanes, la única fuerza que se ejerce entre ellos es una de atracción global, como la existente entre cualquier objeto cargado y otro neutro (en este caso, el imán). Es decir, un imán y un objeto cargado se atraen, pero no se orientan, lo que indica que no tiene lugar una interacción magnética entre ellos.

A comienzos de 1820, Oersted advirtió de forma casual, mientras realizaba observaciones sobre el fenómeno eléctrico con una pila análoga a la construida por Volta en 1800, que la aguja de una brújula colocada en las proximidades de un hilo conductor por el que circulaba una corriente eléctrica se desviaba. Repitió incesantemente estos experimentos con pilas más potentes y observó que la aguja oscilaba hasta formar un ángulo recto con el hilo y con la línea que unía la brújula y el hilo.

Si se la desplazaba de forma continua, en la dirección que señalaba la aguja, la brújula describía entonces un círculo alrededor del hilo conductor. Invirtiendo el sentido de la corriente eléctrica, cambiaba asimismo el sentido de la aguja de la brújula. Los efectos persistían incluso cuando se interponían placas de vidrio, metal o madera entre el hilo conductor y la brújula.

Poco después, Oersted demostró que el efecto era simétrico. No solo el cable recorrido por una corriente ejercía fuerzas sobre un imán (la aguja de la brújula): también el imán desarrollaba una fuerza sobre la bobina (carrete formado por un hilo conductor) por donde circulaba una corriente eléctrica, actuando un extremo de la bobina como el polo norte de un imán y el otro como el polo sur. Fuente: (Sánchez, 2012).

[Ilustración: montaje de Oersted — hilo conductor horizontal alimentado por una pila (polos + y −), con una aguja de brújula bicolor suspendida debajo que se desvía perpendicularmente al hilo; la aguja describe círculos concéntricos alrededor del conductor. Fuente: https://ln9.ci/3mubo]

Ejemplos resueltos

Un hilo recto largo transporta $I = 5 \, \text{A}$ . ¿Cuál es el campo magnético a $r = 0{,}02 \, \text{m}$ del eje del hilo?

Fórmula del campo de un hilo recto: $B = \dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}$ .
Sustitución: $B = \dfrac{(4\pi \times 10^{-7})(5)}{2\pi (0{,}02)} = \dfrac{2\times 10^{-7}}{0{,}02}$ .
Simplificación: $B = 1{,}0 \times 10^{-5} \, \text{T}$ . Respuesta: $B = 1{,}0 \times 10^{-5} \, \text{T} = 10 \, \mu\text{T}$ .

Tabla

Aspecto	Situación anterior (fracasada)	Experimento de Oersted (1820)
Interacción	Solo atracción global (electrostática)	Fuerza magnética con orientación
Efecto sobre la brújula	Ninguna desviación orientada	La aguja se desvía y se orienta perpendicular al hilo
Dependencia de la corriente	No aplica	Al invertir $I$ se invierte el sentido de la aguja
Barreras	Aplicables al campo eléctrico	El campo magnético atraviesa vidrio, metal y madera
Simetría	No demostrada	La bobina con corriente actúa como imán (polo norte y sur)

Diagrama

graph TD
    A[Corriente I en hilo conductor] --> B[Genera campo magnético B toroidal]
    B --> C[Líneas de campo: círculos concéntricos alrededor del hilo]
    C --> D[Desviación de la aguja de la brújula, perpendicular al hilo]
    A --> E[Regla de la mano derecha: pulgar = sentido de I]
    E --> F[Sentido de B horario o antihorario]
    F --> G[Invertir I invierte el sentido de la aguja]
    B --> H[Efecto simétrico: el imán fuerza sobre la bobina]
    H --> I[Un extremo = polo norte, otro = polo sur: electroimán]
    D --> J[Unidad conceptual: electricidad y magnetismo]

Fórmulas y ecuaciones

B = $\frac{\mu_0 I}{2 \pi r}$

B = $\frac{\mu_0 \, I}{2 \pi \, r}$

$\mu_0$ = $4\pi$ $\times$ $10^{-7}$ $\$ , $\text{T}$ $\cdot$ $\text{m/A}$

$\vec{F}@@MATH_0@@\text{corriente sobre imán}$ } = - $\vec{F}@@MATH_1@@\text{imán sobre corriente}$ }

Glosario (7)

Oersted: Físico danés que en 1820 descubrió que una corriente eléctrica produce un campo magnético al desviar la aguja de una brújula cercana.
Pila de Volta: Primer generador de corriente continua, formado por discos de zinc y plata separados por cartón empapado en salmuera.
Campo magnético: Región del espacio donde un imán o una corriente ejerce fuerzas magnéticas; se representa con líneas cerradas.
Regla de la mano derecha: Criterio para determinar el sentido del campo magnético: el pulgar indica el sentido de la corriente y los dedos el sentido de $\vec{B}$.
Permeabilidad magnética: Constante que indica cuánto se facilita la creación de campo magnético en un medio; en el vacío $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \, \text{T} \cdot \text{m/A}$.
Electroimán: Bobina con corriente que produce campo magnético, con un extremo de comportamiento norte y el otro sur, como un imán.
Atracción global: Fuerza atractiva sin orientación, típica de una carga frente a un cuerpo neutro o polarizado, no magnética.

Preguntas para practicar

¿Por qué los primeros intentos de relacionar cargas eléctricas con imanes fueron infructuosos?

Porque la única fuerza observada fue una atracción global tipo electrostática entre la carga y el imán (actuando como cuerpo neutro); al no producirse orientación del objeto cargado, no había evidencia de interacción magnética.

¿Qué forma describen las líneas del campo magnético alrededor de un hilo conductor con corriente y cómo se determina su sentido?

Son círculos concéntricos alrededor del hilo (toroidales). El sentido se obtiene con la regla de la mano derecha: el pulgar sigue el sentido de la corriente y los dedos curvados indican el de $\vec{B}$. Si se invierte la corriente se invierte el sentido de la aguja.

¿Qué significa la simetría del efecto descrito por Oersted y por qué es importante?

Significa que la interacción es recíproca: la corriente actúa sobre el imán y el imán actúa sobre la corriente (tercera ley de Newton). Es importante porque demuestra que electricidad y magnetismo son fenómenos vinculados y que una bobina con corriente se comporta como un electroimán.

¿Por qué los efectos persisten al interponer placas de vidrio, metal o madera?

Porque el campo magnético no es bloqueado por esos materiales: atraviesa vidrio y madera, y el metal no lo cancela (a diferencia de la luz o del campo eléctrico en un blindaje conductor).

Temas y conceptos clave

Analogía y contraste entre electricidad y magnetismoExperimento de Oersted (1820)Campo magnético toroidal de un hilo con corrienteRegla de la mano derechaSimetría de la interacción corriente–imánBobina como electroimánCampo magnético de una corrienteLíneas de campo circularesPermeabilidad magnética $\mu_0$Inversión del sentido de la corrienteSimetría acción–reacciónElectroimán

Fuentes y referencias

Sánchez, A. (2012). Referencia bibliográfica citada en el texto de la página.
https://ln9.ci/3mubo (ilustración del montaje de Oersted)

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Figuras de la página (1)

Montaje experimental de Oersted: un hilo conductor horizontal amarillo apoyado en dos soportes aislantes y conectado a una pila (polo positivo marcado con + y polo negativo con −). Bajo el hilo hay una aguja de brújula bicolor (verde y rojo) suspendida en un pivote, desviada respecto de su posición inicial; flechas punteadas indican su oscilación. Un conmutador o interruptor aparece en la línea inferior del circuito. Pie de figura: Fuente: https://ln9.ci/3mubo. — Figura 1 image

Preguntas que la gente también hace

¿Qué descubrió Oersted en 1820 y por qué es importante para la física?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Cuál es la fórmula del campo magnético generado por un hilo recto con corriente?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Por qué la aguja de la brújula se orienta perpendicular al hilo conductor?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Qué demuestra la simetría del efecto descrito por Oersted?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

📌 Antes de leer esto

• Noción de corriente eléctrica y circuito con pila
• Concepto de campo magnético y polos de un imán
• Vectores y dirección/orientación
• Ley de acción y reacción de Newton

Siguiente tema sugerido

Ley de Ampère y fuerza magnética sobre conductores con corriente (fuerza de Laplace)

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"ACTIVIDADES )

Leo el siguiente planteamiento y realizo las actividades a continuación:

Si se la desplazaba de forma continua, en la dirección que señalaba la aguja, la brújula describía entonces un círculo alrededor del hilo conductor. Invirtiendo el sentido de la corriente eléctrica, cambiaba asimismo el sentido de la aguja de la brújula. Los efectos persistían incluso cundo se interponían placas de vidrio, metal o madera entre el hilo conductor y la brújula.

Fuente: https://n9.cl/3mubo

Texto de Física \ 145

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