Fuerza de Lorentz

Fuerza de Lorentz
Cuando una carga eléctrica en movimiento, se desplaza en una zona donde existe un campo magnético, además de los efectos regidos por la ley de Coulomb, se ve sometida a la acción de una fuerza.
Supongamos que una carga Q, que se desplaza a una velocidad v, en el interior de un campo magnético B. Este campo genera que aparezca una fuerza F, que actúa sobre la carga Q, demanera que podemos evaluar dicha fuerza por la expresión:

Como la fuerza es el resultado de un producto vectorial, será perpendicular a los factores, es decir, a la velocidad y al campo magnético. Al ser perpendicular a la velocidad de la carga, también lo es a su trayectoria, por lo cual dicha fuerza no realiza trabajo sobre la carga, lo que supone que no hay cambio de energía cinética, o lo que eslo mismo, no cambia el módulo de la velocidad. La única acción que se origina, cuando la partícula entra en el campo magnético, es una variación de la dirección de la velocidad, manteniéndose constante el módulo.


Este cambio de dirección es debido a que la fuerza que aparece va a actuar como fuerza centrípeta, originando un movimiento de rotación de la partícula en el interior del campomagnético. En el gráfico que vemos al lado,  observamos la fuerza producida, que es la que originará ese cambio de dirección. B representa al campo, cuyo sentido es hacia el interior de la página. F es la fuerza, que, como vemos, tiene dirección radial, es decir, actúa como fuerza central y, v es la velocidad de la carga.




1 Fuerza sobre cargas puntuales
1.1 Ley de Lorentz
Según el temade Electrostática en el vacío, la fuerza eléctrica sobre una carga puntual en reposo viene dada por

Sin embargo, si dicha carga se encuentra en movimiento, la experiencia muestra que se ve sometida a una fuerza adicional. Esta fuerza, que llamaremos fuerza magnética, verifica que es:
Proporcional a la carga
Proporcional al módulo de su velocidad
Perpendicular a la velocidad
Con estascondiciones, la fuerza magnética debe ser de la forma

Siendo  un nuevo campo, conocido como campo magnético. La fuerza total sobre una carga puntual es entonces

Esta expresión, que es válida en general, tanto para situaciones estáticas como dinámicas, se denomina Fuerza de Lorentz.

1.2 Trabajo magnético nulo
Una propiedad característica de la fuerza magnética sobre una carga magnética es que norealiza trabajo, por siempre normal a la velocidad.

y por tanto permanece constante la energía cinética de una carga que se mueve en un campo magnético.
En términos de las componentes intrínsecas de la aceleración, tenemos que la fuerza es siempre normal a la velocidad y por tanto la aceleración tangencial es siempre nula
      
Si la aceleración tangencial es nula, la celeridad (módulo de lavelocidad) permanece constante
      
Una celeridad constante implica una energía cinética constante.
Esto quiere decir que una carga puntual que se mueve en el seno de un campo magnético podrá cambiar de dirección de la velocidad (esto es, su movimiento sí será acelerado), pero no se moverá ni más rápido ni más lento en ningún momento.
Hay que destacar que esta conclusión, que el campomagnético no realiza trabajo, es sólo cierta para una carga puntual sometida a la fuerza de Lorentz. Si tenemos una corriente eléctrica (formada por millones de partículas en movimiento) o un dipolo magnético (que también experimenta fuerzas magnéticas) no es cierto que la energía cinética permanezca constante. De hecho, los frenos magnéticos se basan en la disminución de la energía cinética por acción deun campo magnético.
1.3 Unidades del campo magnético
De la expresión de la fuerza magnética resulta que, en el SI,  se mide en

A esta unidad se la denomina Tesla, en honor del científico e ingeniero Nikola Tesla.
1.4 ¿Y los imanes?
El concepto de campo magnético suele asociarse sobre todo con los imanes. Sin embargo, las experiencias de Øersted de 1820 mostraron que: Las corrientes...