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Atracciones y fuerzas repulsivas de un imán
Cuando un imán se acerca a un material ferromagnético, una fuerza magnética atractiva actúa entre los dos cuerpos. Esto es tan fuerte incluso con imanes pequeños que puedes sentirlos claramente. La causa de una fuerza magnética son pequeñas corrientes eléctricas o cargas en movimiento: pequeñas corrientes circulares a nivel atómico son responsables en un imán permanente para que ejerza una fuerza magnética. Los electroimanes a su vez solo funcionan a través de una bobina a través de la cual fluye una corriente o una carga en movimiento. En la electrostática hay fuerzas eléctricas, que a su vez emanan de cargas estáticas y al mismo tiempo actúan sobre otras cargas. Además, hay un campo eléctrico en la electrostática incluso si solo hay un polo presente.
Las tres fuerzas básicas en físicaUna fuerza magnética describe la fuerza que existe entre dos cargas en movimiento. La base de todos los efectos de la fuerza en la física son las tres fuerzas básicas: potencia nuclear, gravedad y electromagnetismo.
Fuerzas nuclearesLas fuerzas nucleares desempeñan un papel en los propios átomos y son la razón por la que literalmente no se "separan"; en la vida cotidiana normal no se nota nada al respecto. Puede haber una excepción: con la fuente de energía de la fusión nuclear apenas comenzando a desarrollarse, la importancia de la energía nuclear y la idea de ella podrían llegar directamente a un número mucho mayor de personas.
Fuerzas gravitacionalesAl menos aquí todo el mundo puede imaginarse algo al respecto: las fuerzas gravitacionales juegan un papel en masas muy grandes; por ejemplo, la fuerza gravitacional entre la Tierra y la Luna fuerza a la Luna a adoptar una órbita circular alrededor de la Tierra. Si no existiera la fuerza gravitacional, la Luna volaría tangencial a su órbita, al igual que los humanos y todos los demás cuerpos en la Tierra en rotación.
Fuerzas electromagnéticasDado que las fuerzas nucleares están más allá de nuestra percepción directa y que la gravedad sólo juega un papel en el peso de los cuerpos en la Tierra, todas las demás fuerzas que pueden medirse de alguna manera son de naturaleza electromagnética (por ejemplo, la atracción entre un polo positivo y otro). carga negativa o entre los polos norte y sur de dos imanes. Una carga puntual eléctrica positiva y una carga puntual eléctrica negativa se atraen entre sí. Las cargas eléctricas del mismo nombre también se repelen entre sí. Por tanto, entre ambas cargas existe un llamado campo eléctrico, que se puede visualizar mediante líneas de campo. Sin embargo, este campo eléctrico también proviene de una única carga. Pero cuando se trata de imanes, no se puede hablar de cargas magnéticas. Además, un Polo Sur o un Polo Norte nunca existen solos. En cambio, las fuerzas magnéticas son desencadenadas por pequeñas corrientes circulares y los momentos magnéticos resultantes a nivel atómico. El espín del electrón libre de cada átomo suele ser el imán elemental más fuerte del material. Si una gran parte de los momentos magnéticos o de los imanes elementales están alineados en paralelo, esto se llama magnetización. El material tiene entonces un polo norte y un polo sur; ambos polos siempre coexisten, dependiendo de la orientación de cada espín. Las fuerzas magnéticas, a su vez, siempre actúan a lo largo del campo magnético entre los polos norte y sur. También se puede ilustrar mediante líneas de campo. La fuerza magnética aumenta con la densidad de estas líneas de campo. Además, las líneas de campo exteriores al imán siempre apuntan del polo norte al polo sur.
Magnetización, desmagnetización e interacción de intercambioPara alinear los imanes elementales individuales de una manera controlada, se requiere un campo magnético. Si uno introduce un cuerpo ferromagnético en tal campo magnético, entonces los momentos magnéticos se alinean con él. La orientación de los imanes elementales individuales se fija mediante la interacción de intercambio, pero solo en materiales ferromagnéticos. Si el campo magnético externo se elimina nuevamente después de que los imanes elementales se hayan alineado, la interacción de intercambio garantiza que la orientación permanezca constante. En este punto, es lógico que la orientación pueda ser destruida nuevamente: para esto, la energía de la interacción de intercambio debe ser superada. Esto se puede hacer suministrando energía térmica, magnética o mecánica. Un fuerte impacto, un fuerte campo magnético externo o una alta temperatura del material pueden causar desmagnetización.
Lorentz forceLa fuerza de Lorentz se refiere a la fuerza que actúa sobre una carga en movimiento en un campo magnético. La fuerza de Lorentz es perpendicular al campo magnético y a la dirección de movimiento de la carga, siempre que no sean paralelas entre sí.
La razón por la que las fuerzas eléctricas y magnéticas se agrupan bajo el electromagnetismo son las cargas y las fuerzas que provocan en diferentes estados de movimiento: las cargas en estado de movimiento provocan fuerzas magnéticas y las cargas en estado de reposo provocan fuerzas eléctricas. En la electrodinámica, esta transición entre las dos fuerzas se describe mediante una transición entre ambos estados de movimiento. Las fuerzas magnéticas también pueden entenderse basándose en el principio del estado de energía más bajo posible: por ejemplo, un cuerpo cae al suelo porque allí la energía potencial es la más baja. Del mismo modo, en un sistema formado por dos imanes situados a distancia entre sí se puede minimizar la energía: entre los dos imanes existe energía magnética, que se describe mediante el producto energético. La energía del campo en el aire se vuelve cada vez más pequeña a medida que los dos imanes se acercan. En cuanto los dos imanes se tocan, el espacio de aire y, por tanto, la fuerza magnética en su interior son mínimos. Cuando los imanes se acercan, el cambio en esta energía magnética es proporcional a la fuerza, la cual se puede expresar mediante la siguiente fórmula con la fuerza F y la energía potencial U: (0) 
Es el vector de cambio de las direcciones espaciales. Si el cambio de energía en el potencial energético es particularmente fuerte en una dirección, también actúa una fuerza particularmente fuerte en esa dirección. Las ecuaciones de Maxwell describen la dependencia entre corrientes y cargas y campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, son muy difíciles de resolver. Una fórmula aproximada, por ejemplo, sería calcular una fuerza magnética basándose en la superficie de un electroimán cilíndrico. El campo magnético H se calcula primero utilizando la siguiente aproximación. R es el radio y l (pequeña L) es la longitud de la bobina. La letra I (i mayúscula) a su vez denota la corriente que fluye a través de la bobina: (1) 
A partir de un campo magnético H, la densidad de flujo magnético B se puede determinar utilizando la permeabilidad magnética µ del material y la permeabilidad magnética del vacío de la siguiente manera: (2) 
La fuerza F de un imán cilíndrico se calcula mediante la siguiente fórmula, con el área del polo A: (3) 
Además, la cara polar del cilindro es: (4) 
Si insertas (2) en (3), obtienes lo siguiente: (5) 
Ahora ponemos (1) en (6) y obtenemos nuestra fórmula para nuestra bobina cilíndrica con longitud l y radio R: (7)
Para una bobina de 5 cm de largo con 1000 espiras y un radio de 4 cm, por la que fluye una corriente de 15 A, se produciría una fuerza de aproximadamente 159,7 Newtons. Aplicado a un ejemplo realista, esto significaría que una bobina o un electroimán de este tipo puede levantar alrededor de 16 kg. Para una bobina de este tipo y especialmente para la gran corriente, eso no es mucho. Se puede utilizar un núcleo de hierro para fortalecer el campo magnético o la energía magnética. Debido a la entonces mayor permeabilidad magnética µ, la fuerza magnética aumenta exactamente en múltiplos de µ.