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La “Ley de la Fuerza de Lorentz”, descubierta por el físico-matemático holandés Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), postula que cuando una partícula cargada eléctricamente se mueve dentro de un campo magnético experimenta una fuerza perpendicular a la dirección de ese movimiento y perpendicular, a su vez, a la dirección del flujo del campo magnético.
Demostración de cómo actúa la “Ley de la fuerza de Lorentz” empleando la “Regla de la mano izquierda”
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La “Ley de la Fuerza de Lorentz” se puede. demostrar empleando la “Regla de la mano. izquierda”
propuesta por el físico e ingeniero. eléctrico
británico John
Ambrose Fleming. (1849-1945).
En esta ilustración se puede observar. el dedo índice de la mano
izquierda señalando.en. la dirección que tienen las líneas de flujo
magnético.
“ ” del imán permanente (del polo. norte al polo sur), el dedo medio señalando el. sentido de circulación de la
corriente eléctrica “I” a. través del cable conductor
creando un campo. electromagnético a su alrededor y, finalmente, el. dedo pulgar
señalando en la. dirección “F” en la que se moverá el
cable cuando su. campo.electromagnético
interactúe con el campo. magnético
del imán permanente. En la esquina |
Ilustración de la "Regla de la mano izquierda".
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inferior izquierda de la ilustración se representa gráficamente
cómo actúa en la práctica. la “Regla de la mano izquierda”,
representándola por medio de flechas o vectores. |
Como se puede observar en la figura que ilustra la “Regla de la mano izquierda”, mientras el dedo índice apunta en la misma dirección que siguen las líneas de fuerza
“” del campo magnético de un imán permanente (partiendo siempre del polo norte “N” en dirección al polo sur “S”), el dedo medio se coloca formando un ángulo de 90º con el índice para apuntar en el mismo sentido que fluye la corriente eléctrica “I” a través del cable conductor en el que se crea un campo electromagnético a su alrededor. Bajo esas condiciones, el dedo pulgar, que se ha colocado formando una “L” en relación con el dedo índice, señalará en la dirección “F” hacia donde se moverá el cable cuando su campo electromagnético interactúe con el campo magnético del imán permanente.
“Regla de la mano derecha” para determinar el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético alrededor de un cable por el que circula la corriente eléctrica.
Cuando la corriente eléctrica circula o fluye por un cable conductor, se crea un campo magnético a su alrededor, cuyas líneas de fuerza aparecen siguiendo el mismo sentido de las agujas del reloj, o en sentido contrario, según sea la polaridad de la fuente de
fuerza electromotriz
(F.E.M.) que tenga conectada suministrándole la corriente eléctrica. Para determinar en cada caso en que sentido se crean esas líneas de fuerza se emplea la “Regla de la mano derecha”. Como se puede observar en la ilustración, mientras esa mano agarra el cable conductor y el dedo índice apunta en el mismo sentido que circula la corriente, la posición de los cuatro dedos
restantes indicará cuál es el. sentido de las líneas de fuerza que rodean al cable.
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Ilustración de la "Regla de la mano
derecha".
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En la siguiente ilustración se puede observar, de forma esquemática, el sentido que tienen las líneas de fuerza del campo electromagnético alrededor de un cable conductor recorrido por la
corriente eléctrica (representado por círculos con flechas). Dicho sentido se puede determinar aplicando la “Regla de la mano derecha” siempre que se conozca en qué dirección fluye la corriente eléctrica a través del cable.
Cuando el sentido de las líneas del campo electromagnético alrededor del cable coincide con la dirección que tienen las líneas de fuerza del campo magnético del imán permanente (del polo norte al polo sur), el cable será rechazado (o empujado) hacia arriba o hacia abajo de acuerdo con la Ley de la Fuerza de Lorentz. Si aplicamos la “Regla de la mano izquierda” podemos determinar la dirección en la que se moverá el cable.
En esta figura se representa la sección transversal de un cable (círculo azul claro) cuando es recorrido por la
corriente eléctrica.
En este caso el flujo de la corriente se establece desde la parte de atrás
hacia el frente del cable y se representa por un punto azul
oscuro dentro del. círculo.
Es decir, que la corriente fluye por ese cable a partir del polo
positivo (+) de la fuente de suministro eléctrico, que se
conecta en su parte posterior, y fluye en dirección al polo negativo (–) de la propia fuente,
que se conecta en la parte delantera del propio
cable, siguiendo
el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica.
Si en este caso aplicamos la “Regla de la mano derecha”, comprobaremos que las líneas de fuerza del campo electromagnético que se forman alrededor
del cable (representadas por los círculos con flechas de color azul
oscuro) se crearán en sentido contrario a las manecillas del reloj. Por tanto, si introducimos el cable así energizado dentro del campo magnético del imán permanente cuyas líneas de fuerza aparecen representadas por flechas de color violeta, será rechazado o empujado hacia arriba, de acuerdo
esta vez con la “Regla de la mano izquierda”. Esa acción se representa gráficamente debajo de esa figura por medio de tres vectores o flechas que ilustran la forma en que actúa
en este ejemplo la “Regla de la mano izquierda”. La dirección hacia donde apunta el vector “F” corresponde a la fuerza de rechazo que sufre el cable cuando es empujado hacia arriba.
Seguidamente se puede ver en la otra figura de la derecha, el mismo cable representado
con un círculo de color rojo, indicando ahí cuál es el recorrido de la corriente eléctrica (representado
esta vez por una cruz de color rojo oscuro). Ahí vemos que el recorrido
del flujo de la corriente eléctrica se establece en dirección contraria al ejemplo anterior, o sea, desde el frente hacia atrás,
conectando el polo positivo (+) de la fuente de suministro eléctrico en la parte delantera del
cable y el polo negativo (–) en su parte trasera, de acuerdo,
igualmente, con el sentido convencional del recorrido de la corriente eléctrica. Si aplicamos
ahora de nuevo la “Regla de la mano derecha” comprobaremos que las líneas de fuerza del campo electromagnético que se forma alrededor del cable (representada en la figura por los círculos con flechas de color rojo) se moverán en el mismo sentido de las manecillas del reloj. Por tanto, si introducimos el cable así energizado dentro del campo magnético del imán permanente y aplicamos la “Regla de la mano izquierda”, comprobaremos que
éste será rechazado o empujado hacia abajo. Ese movimiento del cable
se encuentra también representado en este ejemplo por las flechas o vectores que se observan arriba de la
propia figura.
En ambos casos las flechas o vectores identificadas con la letra “F” representan la fuerza de rechazo que sufre el cable energizado en un sentido o en otro, la letra “I” indica la dirección del movimiento de la corriente eléctrica a través del
cable en cada caso y la letra griega
“” corresponde a la dirección que tienen las líneas de fuerza del campo magnético del imán permanente,
o sea, del polo norte “N” al polo sur “S”.
Cómo funciona en la práctica la “Ley de la Fuerza de Lorentz”
El principio de funcionamiento del motor eléctrico de corriente directa se basa en la “Ley de la Fuerza de Lorentz”.
Si aplicamos la “Regla de la mano izquierda” basada en esta Ley, podemos determinar en qué sentido girará el rotor del motor.
En la parte izquierda de esta ilustración se pueden observar dos polos magnéticos pertenecientes a un imán permanente (polo norte “N” y polo sur “S”). Las flechas de color violeta representan la dirección del flujo del campo magnético del imán permanente, moviéndose del polo norte al polo sur. Entre los dos polos magnéticos se ha colocado una especie de trapecio compuesto por un simple alambre de cobre suspendido de un aditamento de color negro (no conductor de la corriente), que le permite al alambre balancearse libremente. Como todavía el alambre no se ha conectado a la corriente eléctrica no se encuentra energizado, permaneciendo en posición de reposo suspendido entre los dos polos del imán.
En la parte central de la ilustración se ha conectado una pila o batería a los dos extremos del alambre de cobre para energizarlo. La flecha de color rojo nos indica el sentido convencional en que circula la
corriente eléctrica a través del alambre (suministrada por la batería), mientras la flecha verde indica la dirección en la que será rechazado o empujado el alambre, o sea, hacia la izquierda obedeciendo a la “Ley de la fuerza de Lorentz”. La dirección de ese movimiento se puede determinar aplicando la “Regla de la Mano Izquierda”. Esa posición que adquiere el alambre la mantendrá así durante todo el tiempo que se encuentre energizado o conectado a la pila o batería, o hasta que se invierta la polaridad de ésta en el circuito.
En la parte derecha de la misma ilustración se puede comprobar que al variar la posición de la pila y, por tanto, la polaridad de la conexión del alambre al circuito, éste se mueve hacia la derecha. Esa posición la mantendrá también durante todo el tiempo que se encuentre conectado a la pila o batería, o hasta que se invierta de nuevo la polaridad en el circuito y retorne otra vez a la posición izquierda. En caso que desconectemos la pila o batería del circuito, el alambre retornará a la posición de reposo que mantenía al principio antes de ser energizado.
En este ejemplo la Ley de la Fuerza de Lorentz se manifiesta de forma similar a como ocurre en un motor de corriente directa (C.D.).
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