Ley de Ampère y sus aplicaciones a través de visualizaciones en realidad aumentada

Breve descripción de la ley de Ampère y sus aplicaciones

La ley de Ampère conduce a una de las cuatro leyes fundamentales del electromagnetismo.

La ecuación de esta ley es la siguiente:

El círculo sobre el símbolo de integral representa una integral en una trayectoria cerrada, es un vector de campo magnético, es un vector diferencial de línea, μ0 es la constante de permeabilidad del vacío e i la corriente eléctrica.

La parte izquierda en la ecuación es la evaluación del producto escalar entre y para cada elemento infinitesimal ( ) en el que se divide la trayectoria cerrada, sumando todas las contribuciones.

En la parte derecha, i es la corriente total que pasa por los alambres conductores que atraviesan la superficie encerrada por la trayectoria recorrida. Esta trayectoria cerrada, imaginaria, se denomina anillo amperiano.



Ejemplos de trayectorias cerradas, se les denomina "cerradas" porque comienzan y terminan en un mismo punto.



La ley de Ampère permite calcular la magnitud de un campo magnético de forma sencilla en problemas que tienen un alto grado de simetría. Esto permite escoger la forma del anillo amperiano de manera que el campo magnético sea constante a lo largo de toda la trayectoria, o en segmentos de ésta, y así pueda ser extraído de la integral.

Es posible que existan corrientes que pasan tanto fuera, como dentro del anillo, todas contribuyen al campo magnético en los puntos del anillo, sin embargo, el resultado de la integral sólo depende de las corrientes que atraviesan la suerficie delimitada por el anillo. Para una corriente externa, el producto cambia de signo al recorrer el anillo y las diferentes contribuciones se cancelan.

Por otro lado, puede que dentro de un mismo anillo se encuentren corrientes con direcciones opuestas, por ello, se requiere usar la regla de la mano derecha para asignar el signo positivo o negativo de una corriente.

Dicha regla indica que, si ponemos el pulgar de la mano derecha en la misma dirección que la corriente eléctrica, la curva formada por los demás dedos de la mano nos indicarón la forma y el sentido de las líneas de campo, como observamos en la figura. Al ser un campo vectorial, el campo magnético se representa con una B en negritas o con una flecha sobre él.


A continuación, podrás encontrar los enlaces correspondientes a seis visualizaciones en realidad aumentada que representan distintas formas que puede tener un alambre conductor de corriente (con forma arbitraria, de recta, de solenoide y de toroide). Cuando una corriente pasa a través de él, se genera un campo magnético cuyas líneas se encuentran representadas en color verde.

En algunas visualizaciones, también aparecen anillos amperianos con distintas formas, de acuerdo con la simetría que tienen las líneas de campo magnético.

La intención de las visualizaciones es que puedas observar representaciones de lo que acabas de aprender acerca de la ley de Ampère de una forma interactiva, en 3D y desde distintas perspectivas, para facilitar la comprensión de la situación física de cada problema.

Instrucciones para usar las visualizaciones

Para poder observar cualquiera de las visualizaciones en realidad aumentada (RA) que aparecen en esta página de internet necesitas contar con:

  • Marcador, ya sea que decidas imprimirlo o que pueda ser visible a través de una pantalla distinta a la que usarás para observar la RA, puedes descargar el marcador haciendo clic en la imagen

  • Un dispositivo móvil o computadora con navegador de internet

  • Conexión a internet

  • La cámara integrada en tu dispositivo móvil, laptop o en su caso una webcam

Sugerencias:


Recuerda que tú puedes imprimir el marcador del tamaño que prefieras, sólo debes tener cuidado de mantenerlo completamente visible durante la visualización. Para obtener el tamaño que te acomode, cambia la distancia del marcador a la cámara.

Puedes desplegar las visualizaciones en el dispositivo que prefieras. Si necesitas mayor libertad de movimiento entre la cámara y el marcador, puedes usar un dispositivo móvil.

Los pasos a seguir son los siguientes:


  1. Haz clic en el enlace a la visualización en RA que te interesa observar
  2. Si la cámara o webcam no se activa automáticamente, selecciona la opción "Permitir usar la cámara" cuando el navegador de internet lo solicite" haz clic aquí para ver una imagen de ejemplo de este paso
  3. Cuando la cámara o webcam comience a funcionar, coloca el marcador frente a ella para que sea reconocido
  4. Una vez reconocido el marcador, podrás observar la visualización en RA
  5. Puedes colocar el marcador frente a la cámara en distintas posiciones, acercarlo, alejarlo o girarlo de tal forma que puedas observar distintas partes o detalles en cada visualización
  6. En las visualizaciones, indicamos con letras las cantidades físicas que representamos, pero para obtener un panorama más completo de estas cantidades puedes usar el "Código de colores"

Código de colores

Para entender las visualizaciones, es necesario conocer el significado de los colores en los elementos representados, usa el siguiente código de colores:

Puedes dar clic a la imagen para ver el código de colores en una pestaña independiente.

Visualizaciones en Realidad Aumentada

Estas visualizaciones forman parte del proyecto EducAR, y su objetivo es facilitar a los estudiantes de Electricidad y Magnetismo, particularmente quienes son de Ingeniería en Computación, el entendimiento de la Ley de Ampère utilizando Realidad Aumentada. Todas las visualizaciones funcionan con un mismo marcador.

  • Corriente en un alambre de forma arbitraria

    En esta visualización, la corriente es conducida a través de un conductor que tiene forma arbitraria, aparecen también, la representación de un elemento de corriente como un pequeño vector de color azul dentro de la corriente, este elemento crea un campo magnético en un punto P

    También se encuentran representados los vectores de distancia entre y el punto P en color negro, y del campo en color verde, ortogonal al plano definido por el vector negro y el azul.

  • Alambre recto largo

    Se muestra la representación de una sección de alambre conductor recto, por el cual circula una corriente, con las líneas de campo magnético a su alrededor, como círculos concéntricos con centro en el eje del alambre, y un anillo amperiano por el cual atraviesa el conductor.

  • Solenoide

    Un solenoide consiste en un alambre conductor enrollado en hélice y apretado.

    En esta visualización, se muestra una sección de solenoide extendido y algunas líneas de campo magnético en su interior y a su alrededor.

  • Solenoide corte longitudinal

    En este caso, se puede observar al mismo solenoide, pero sin estar extendido y con un corte longitudinal para observar que el campo magnético en su interior es uniforme y sus líneas son paralelas al eje del solenoide.

    También, vemos un anillo amperiano en forma rectangular con líneas rojas punteadas, usado en este caso para calcular el campo magnético, aplicando la ley de Ampère.

  • Toroide

    Un toroide es, básicamente, un solenoide, pero doblado en forma de rosca, por lo tanto, las líneas de campo magnético en su interior ahora tendrán forma de círculos concéntricos.

  • Toroide corte

    Si lo cortamos por la mitad (toroide con corte) podemos observar mejor por dentro las líneas de campo. Para hallar la magnitud del campo al interior del toroide, se aplica la ley de Ampère y usamos un anillo amperiano con forma de círculo, como el que observamos en ambas visualizaciones.

Información de Contacto

DIRECCIÓN:

Centro Tecnológico Aragón, segundo piso, Cubículos académicos 2, Cubículo 4, Facultad de Estudios Superiores Aragón, Universidad Nacional Autónoma de México, Avenida Rancho Seco S/N, Col. Impulsora Popular Avícola, Nezahualcóyotl, Estado de México 57130, México.

Créditos

Gabriella Piccinelli Bocchi:

Responsable académica, supervisión del contenido científico y de la construcción de los materiales

Pedro Uriel Martínez Martínez:

Idea original de la plataforma y supervisión de su construcción

Carlos Alberto Hernández García:

Construcción de la plataforma

Damián Susano Martínez:

Elaboración de los modelos en 3D y las visualizaciones en realidad aumentada

Alan Sandoval Almaráz y Gerardo Ángel Casillas Araiza:

Correcciones a los modelos 3D e incorporación de las visualizaciones en realidad aumentada a páginas web

René Jesús Pineda Ángeles:

Información sobre la ley de Ampère y descripción de las visualizaciones en realidad aumentada

Blanca Paola Avila Cervantes y Juan Andrés Estévez Velázquez:

Revisión de la presentación de los materiales y apoyo administrativo