La fuerza de Lorentz es la fuerza que ejerce un campo magnético sobre una carga eléctrica en movimiento.
Si colocas una carga quieta (𝑣 = 0) dentro de un campo magnético, no pasa absolutamente nada. El campo magnético es invisible para ella. Pero en el instante en que la carga se mueve, el campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre ella.
Esta interacción es la base de todos los motores, altavoces y aceleradores de partículas del mundo.
La Ley de Lorentz (Nivel microscópico)
Hendrik Lorentz formuló la ley que describe la fuerza que siente una partícula individual (como un electrón) al cruzar un campo magnético.
La expresión vectorial rigurosa es:
Donde:
- 𝐹: Fuerza (Newtons).
- 𝑞: Carga (Coulombs).
- 𝑣: Velocidad de la partícula (m/s).
- 𝐵: Inducción Magnética (Teslas).
- ×: Producto Vectorial.
Dirección de la fuerza
Sabemos cuánto empuja, pero… ¿hacia dónde empuja? ¿Hacia arriba? ¿Hacia abajo? Para averiguarlo, los ingenieros usamos la famosa Regla de la Mano Izquierda de Fleming.
Coloca los tres dedos de la mano izquierda perpendiculares entre sí:
- Índice (
): Apunta en la dirección del campo magnético. - Corazón (
): Apunta en el sentido de la corriente convencional. - Pulgar (
): Indica la dirección de la fuerza.
Esta regla es la que nos permite diseñar motores y saber hacia qué lado van a girar antes de conectarlos.
La Ley de Laplace
En el mundo contidiano no solemos tratar electrones sueltos. Usamos cables por los que circulan trillones de electrones.
Si sumamos la fuerza de Lorentz de todos esos electrones confinados en un cable, obtenemos la Fuerza de Laplace.
Es la fuerza que sufre un Conductor con corriente dentro de un campo magnético.
Donde:
- 𝐼: Intensidad de corriente (Amperios).
- 𝐿: Vector longitud del conductor (metros, dirección de la corriente).
- 𝐵: Campo Magnético (Teslas).
En escalar, si el cable es perpendicular al campo (caso ideal del motor):
Esta fórmula es dice que para conseguir más fuerza en un motor tienes tres opciones:
- Meter más corriente (𝐼).
- Hacer el motor más grande o con más vueltas de cable (𝐿).
- Usar imanes más potentes (𝐵).
Del conductor recto al par motor
Un cable que sale disparado en línea recta está bien para hacer un cañón de riel o un altavoz, pero no para mover una lavadora. Nosotros queremos que la cosa gire.
¿Cómo convertimos esa fuerza lineal en rotación? Hacemos un bucle con el cable, creando una Espira.
Piensa en una espira rectangular dentro del campo magnético:
- En el lado izquierdo de la espira, la corriente va “hacia allá”. Aplicando la regla de la mano izquierda, la fuerza empuja hacia ARRIBA.
- En el lado derecho de la espira, la corriente vuelve “hacia acá” (sentido contrario). Aplicando la misma regla, la fuerza empuja hacia ABAJO.
Resultado: Tenemos una fuerza subiendo y otra bajando separadas por una distancia. Hemos creado un Par de Fuerzas (Torque). Acabmos de crear un motor.
