【Editorial Renmin】Física de Secundaria Obligatoria Tercer Volumen: El descubrimiento de Oersted y la determinación de la dirección del campo magnético

El momento «accidental» que abrió la electromagnetismo

En abril de 1820, Oersted, durante una clase, colocó accidentalmente un conductor encima de una brújula y le hizo pasar corriente. En ese instante,la aguja magnética se desvió claramentelo cual era exactamente lo que Oersted esperaba. Antes de esto, se creía comúnmente que electricidad y magnetismo eran fenómenos completamente independientes. Este descubrimiento demostró que la electricidad en movimiento puede generar magnetismo, revelando no solo la conexión interna entre ambos, sino también rompiendo con los prejuicios establecidos en la física.

Realidad física fundamental: campo magnético y líneas de inducción

Campo magnético (Magnetic Field): Un campo físico generado por la corriente en su entorno. No es ficticio, sino una forma de existencia material que ejerce fuerza sobre cualquier cuerpo magnético colocado en él.
Líneas de inducción magnética (Magnetic Induction Line): Para representar visualmente el campo magnético, nosotrosdibujamos algunas curvas siguiendo el patrón de pequeños trozos de hierro dispersos en el campo magnético. La densidad de las líneas indica la intensidad del campo magnético, mientras que la dirección tangente a cada línea representa la dirección del campo en ese punto.
Determinación topológica espacial: La relación entre la dirección de la corriente rectilínea y la de sus líneas de inducción magnética puede determinarse medianteRegla de Ampèrepara su determinación.

💡 Perspectiva histórica

El experimento de Oersted no fue solo el descubrimiento de que la corriente produce magnetismo, sino que también abrió la vía hacia la unificación electromagnética. Faraday, inspirado directamente por este hallazgo, descubrió diez años después el fenómeno de inducción electromagnética, logrando así el salto simétrico desde el «magnetismo genera electricidad».

PREGUNTA 1

[Visual: Figura 13.1-13] La pequeña brújula cerca de un conductor rectilíneo con corriente está orientada como se muestra en la figura 13.1-13, con su polo norte apuntando al noroeste. Indique la dirección de la corriente en el conductor.

Perpendicular al plano hacia fuera

De abajo hacia arriba

De arriba hacia abajo

Horizontalmente hacia la izquierda

PREGUNTA 2

[Visual: Figura 13.1-14] Como se muestra en la figura 13.1-14, cuando una corriente circula en sentido antihorario a través de un anillo conductor circular, ¿hacia dónde apuntará el polo norte de la pequeña brújula colocada en el centro del anillo cuando alcance el equilibrio final?

Hacia dentro del plano

Hacia fuera del plano

A lo largo del radio hacia afuera

A lo largo de la tangente en sentido horario

PREGUNTA 3

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el campo magnético de un solenoide energizado es correcta?

El campo magnético en la boca del tubo es más fuerte que en el interior

El campo magnético interno es más intenso que en el exterior del tubo porque las líneas de inducción son más densas dentro

No hay campo magnético dentro del solenoide

Las líneas de inducción magnética dentro del solenoide van desde el polo N hasta el polo S

PREGUNTA 4

¿Cuál es la razón por la que la brújula gira en el experimento de Oersted cuando el conductor se coloca horizontalmente en la dirección norte-sur justo encima de la brújula y se le aplica corriente?

Las cargas en el conductor ejercieron una fuerza electrostática sobre la brújula

El campo magnético generado alrededor del conductor energizado ejerció una fuerza magnética sobre la brújula

El calentamiento del conductor cambió la densidad del aire

El campo magnético terrestre desapareció repentinamente

PREGUNTA 5

Según la hipótesis de Ampère sobre la magnetización terrestre, el campo magnético de la Tierra es causado por una corriente circular que rodea el eje que pasa por el centro del planeta. Si el polo magnético S está cerca del Polo Norte geográfico, ¿cuál sería la dirección de esta corriente circular?

De oeste a este

De este a oeste

De sur a norte

De norte a sur

Aplicación integrada: cuantificación del campo magnético y conversión de energía

Análisis profundo combinando la definición de campo magnético con sistemas de potencia renovables

Este caso examina la comprensión esencial de la intensidad de inducción magnética, la identificación de corriente en la inducción electromagnética, y el cálculo cuantitativo de la conversión de energía eólica en eléctrica. Estos problemas constituyen una cadena tecnológica que va desde la física básica del magnetismo hasta aplicaciones energéticas a gran escala.

1. En una región dada, la velocidad del viento es de $14 \text{ m/s}$, la densidad del aire es $\rho = 1.3 \text{ kg/m}^3$. Si el área de captación del aerogenerador es $A = 400 \text{ m}^2$, y el $20\%$ de la energía eólica puede convertirse en electricidad, calcule su potencia generadora.

Respuesta:
Según la fórmula de potencia eólica: $P_{total} = \frac{1}{2} \rho A v^3$. Al sustituir los datos: $P_{total} = 0.5 \times 1.3 \times 400 \times 14^3 = 713,440 \text{ W}$. La potencia final generada es $P = P_{total} \times 20\% \approx 1.43 \times 10^5 \text{ W}$ (o $143 \text{ kW}$).

2. Análisis del planteamiento: Algunos piensan que, según $B = \frac{F}{Il}$, la intensidad de inducción magnética $B$ es directamente proporcional a la fuerza magnética $F$ e inversamente proporcional al producto de la corriente $I$ y la longitud $l$. ¿Es correcta esta idea? ¿Por qué?

Respuesta:
Esta afirmación es incorrecta. La intensidad de inducción magnética $B$ es una propiedad intrínseca del campo magnético, determinada por la fuente del campo (como un imán permanente o una corriente), y no depende de la corriente de prueba ($I, l$) ni de la fuerza $F$ que actúa sobre ella. Esta fórmula es únicamente la expresión definitoria de $B$, no su ecuación determinante.

3. 如图 13.3-12 所示，线圈 A 与 B 绕在铁芯 P 上。若线圈 A 的电流 $i$ 随时间 $t$ 变化。在 $t_1 \sim t_2$ 阶段，若电流 $i$ 为恒定值（如图丙），线圈 B 中会有感应电流吗？若是线性增加（如图甲）呢？

Respuesta:
若电流恒定（图丙），磁通量不发生变化，B 线圈中无感应电流。若电流随时间变化（如图甲线性增加、图乙减少或图丁非线性变化），产生的磁场随之变化，穿过 B 的磁通量改变，从而在 B 中观察到感应电流。

4. Cálculo del flujo magnético: el área del bobinado es $S$, y está perpendicular al campo magnético uniforme de intensidad $B$. Calcule el flujo magnético en la posición inicial, al girar $60^{\circ}$ alrededor del eje $OO'$ y al girar $90^{\circ}$.

Respuesta:
Flujo magnético en la posición inicial $\Phi_1 = BS$; al girar $60^{\circ}$, el área proyectada efectiva se reduce a la mitad, $\Phi_2 = BS \cos 60^{\circ} = 0.5 BS$; al girar $90^{\circ}$, el bobinado queda paralelo al campo, sin líneas de inducción que lo atraviesen, por lo tanto $\Phi_3 = 0$.