#10a. Arrastre de partículas en el Espacio   (Opcional)

    La Física del espacio puede resultar extraña. En regiones con campos magnéticos, la relación entre campos magnéticos y corrientes es muy diferente de su aspecto en la tecnología cotidiana.

    La Ley de Ohm dice que los campos eléctricos producen corrientes eléctricas que van del potencial más alto al más bajo. En un conductor, como puede ser un cable, los electrones se mueven de (–) a (+), mientras que los iones (si están libres para moverse), son empujados en dirección opuesta, (+) a (–). En el espacio, por otro lado, el plasma entero se mueve hacia los lados, perpendicular a ambas líneas de campo magnético y eléctrico. Ninguna corriente eléctrica estacionaria resulta del campo eléctrico y tanto los iones como los electrones avanzan en la misma dirección.

    Así mismo, las corrientes eléctricas a menudo fluyen en el espacio sin ningún potencial o voltaje que las empuje. No está implicado ningún campo eléctrico: el campo magnético lo hace todo, cuando tiene la estructura adecuada.

    Este extraño comportamiento se explica más abajo. No usaremos matemáticas, pero la argumentación es un poco compleja: sáltesela si así lo desea. Si decide continuar, vaya despacio. Lleva poco tiempo leer esta página, pero mucho comprenderla. Asegúrese de que asimila cada parte de la explicación antes de pasar a la siguiente.

Arrastre eléctrico

El dibujo mostrado aquí explica qué sucede cuando los campos eléctrico y magnético actúan juntos sobre iones y electrones. Consúltelo en cada estadio de la explicación.

  1.   Porqué los campos eléctricos paralelos a líneas de campo magnético son raros en el espacio.

    En lo que sigue, se asume que la dirección de la fuerza eléctrica ("la dirección del campo eléctrico") es siempre perpendicular a la dirección local de las líneas de campo magnético.



    Existe una razón. En el espacio, los iones y los electrones giran alrededor de las líneas de campo magnético que los guían, pero al mismo tiempo pueden también deslizarse a lo largo de esas líneas como las cuentas de un collar.

    Si la fuerza eléctrica tuviera alguna parte en esa dirección (un "vector componente"), esos iones y electrones, según avanzan por su líneas guía de campo, también se acelerarían debido a él y ganarían velocidad. Sin embargo... ganar velocidad también significa ganar energía. Como la energía en la Naturaleza se conserva, si la partícula gana, se debilita la parte aceleradora del campo eléctrico y, a menos que se suministre energía fresca constantemente, esa parte no dura mucho.

    Sin esa energía fresca (el caso más normal), la fuerza eléctrica a lo largo de la línea de campo cae rápidamente a cero. Cuando eso sucede, existe el mismo voltaje en todos los puntos a lo largo de la línea de campo magnético, y no quedan diferencias de voltaje que puedan crear corrientes en esa dirección. El campo eléctrico restante es entonces perpendicular a las líneas de campo magnético, como en el dibujo de aquí.

2.   La Fuerza Eléctrica

    Por la razón anterior, las líneas de campo magnético local en el dibujo (repetidas aquí para más claridad) se suponen perpendiculares al papel, viniendo hacia usted. Suponga también que el campo eléctrico -representando la fuerza eléctrica- está en el plano del dibujo, apuntando hacia arriba en la imagen. Se ha dibujado una flecha recta en esa dirección, que elegimos como dirección "y" en un sistema de ejes (x,y), dibujado en la esquina inferior derecha.

    Una partícula positiva, tal que un protón, marcado aquí como p+, es empujado por la fuerza eléctrica hacia lo alto del dibujo, en la dirección +y.

    Un electrón, negativo, marcado como e–, es empujado hacia abajo, en la dirección –y. Puede imaginar (si lo desea) una carga positiva en algún sitio bajo el dibujo, y una carga negativa en algún sitio sobre él, creando esa fuerza que repele o atrae el protón o el electrón.

3.   La Fuerza Magnética en solitario

    Si el electrón y el protón (u otro ión positivo) fueran libres, simplemente se moverían en esas direcciones. Pero no son libres, debido a la fuerza magnética.

    Si sólo estuvieran las fuerzas magnéticas (y ningún campo eléctrico), el protón haría círculos alrededor de una línea de campo magnético en la dirección de las agujas del reloj (desde nuestra posición de observadores) y el electrón en la dirección contraria a las agujas del reloj. Estas direcciones se muestran a la izquierda del dibujo.

4.   Fuerzas Eléctricas y Magnéticas juntas

    La fuerza eléctrica modifica el movimiento. Los protones son acelerados en la dirección +y, así que se mueven un poco más rápido en la parte de su círculo más cercana a la parte superior de la página (¡ver dibujo anterior!).

    Los electrones son acelerados en la dirección -y, así que su velocidad es un poquito mayor en la parte de su círculo más cercana a la zona inferior.

    Los iones o electrones más rápidos hacen círculos con un radio mayor. Se comportan un poco como una carrera de coches: a mayor velocidad, más amplio el círculo que siguen cuando toman una curva.

    Por tanto, los protones hacen curvas más amplias en lo alto de sus círculos, y los electrones hacen curvas más amplias en la parte inferior de sus círculos. Esto se muestra en el dibujo, y el resultado es un lento movimiento lateral similar al del cangrejo ("arrastre") en la dirección (–y) tanto para iones como para electrones. Aunque hagan círculos alrededor de sus líneas de campo en direcciones opuestas, el campo eléctrico les desplaza a ambos en la misma dirección: hacia la derecha.

    Puede demostrarse que la velocidad de ambos movimientos es siempre la misma -incluso aunque los protones son unas 2000 veces más pesados, e incluso aunque las energías iniciales de las partículas pueden ser muy diferentes. (A aquellos que estén familiarizados con las matemáticas, este proceso puede explicarse mucho más concisa y transparentemente). El resultado es siempre un flujo lateral del plasma, una migración de todo el plasma, un movimiento en masa del gas, más que un flujo de corriente eléctrica.

Nubes de Bario y Viento Solar

    Ese "arrastre eléctrico" tiene lugar en la nube de bario (sección #8 cuya imagen repetimos aquí). La nube verde de bario neutro permanece quieta, mientras cualquier campo eléctrico presente arrastra lejos de ella a la nube púrpura, consistente en iones y electrones (ver la ilustración). Por supuesto, en tanto en cuanto los iones y electrones permanecen libres para deslizarse a lo largo de las líneas de campo magnético, la nube iónica también se expande lentamente en esa dirección (o más bien, en dos direcciones opuestas: arriba y abajo de las líneas de campo).

    ¿De dónde vienen tales campos eléctricos? Probablemente de lejos en el espacio exterior. Como se dijo anteriormente en esta página web, una línea de campo magnético tiende a tener el mismo voltaje en cualquier punto a lo largo de su longitud. Si se crea un campo eléctrico en algún punto sobre esa línea, su voltaje se transmitirá al resto de ella, y con ello se transmite también el campo eléctrico. Por tanto, un campo eléctrico creado lejos en el espacio puede extenderse a la región final de la línea, donde la línea desciende entrando en la atmósfera, y donde el campo transmitido causa el arrastre de las nubes de bario.

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    Los campos eléctricos en el espacio también surgen de otros modos. Cuando alguna poderosa causa "empuja" al plasma a moverse en alguna dirección, un campo eléctrico ayuda a alcanzar esto. Las cargas positivas y negativas que crean tal campo necesitan mover a nuevas posiciones sólo un relativamente pequeño número de electrones y, donde el impulso que mueve el plasma es suficientemente fuerte, la naturaleza obliga y los desplaza. El movimiento de plasma -cambiando la estructura de líneas de campo magnético- está también asociado con un campo eléctrico, de un tipo que no puede ser adecuadamente descrito por simples distribuciones de voltajes.

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    Un ejemplo es el viento solar, un flujo estacionario de plasma extendiéndose desde la corona solar, la parte caliente más alta de la atmósfera del Sol, que es demasiado caliente para ser retenida por la gravedad del Sol (ver sección #18). El viento solar se extiende radialmente hacia afuera, mientras que las líneas de campo magnético interplanetario que lo acompañan son espirales que se extienden alrededor del Sol (sección #18a).

    El movimiento radial de los iones y electrones del viento solar deben atravesar esas espirales. ¿Cómo evitan esas partículas ser forzadas en pequeñas espirales alrededor de esas líneas? ¡Por un campo eléctrico! El flujo del viento solar es conducido por poderosas fuentes de energía que hacen que su movimiento tenga prioridad, lo que se hace mediante la creación del apropiado campo eléctrico.

    (Por otro lado, las partículas de alta energía de las llamaradas solares son demasiado pocas en número para abrirse camino en línea recta, y son forzadas a seguir la ruta de la espiral. Ver la nota al final de la sección #18).

Arrastres magnéticos

Vayamos ahora con otra rareza: corrientes eléctricas sin ningún voltaje.

    Suponga, como antes, que las líneas de campo magnético son perpendiculares al dibujo, y que los mismos ejes (x,y) se usan como anteriormente. Sólo que ahora (ver el dibujo a la izquierda) no existe campo eléctrico y, en vez de eso, la fuerza del campo magnético varía con la distancia en la dirección "y": que sea mucho mayor en la parte alta del dibujo que en la baja.

    Como antes, tanto iones como electrones hacen círculos alrededor de las líneas de campo magnético, ya dibujado (ignorando el movimiento de desplazamiento). Sin embargo, el tamaño del círculo depende de la magnitud de la fuerza magnética: cuanto mayor es la fuerza magnética, más pequeño es el radio del círculo. (En el límite, donde la fuerza magnética cae a cero, las partículas se mueven en líneas rectas, ¡que es lo mismo que decir que siguen círculos de radio infinito!).

    A causa del modo en que la magnitud de la fuerza cambia, las órbitas, de nuevo, ya no son círculos sino espirales planas (ver dibujo), curvándose más agudamente en la parte alta de su movimiento.

    El resultado, como antes, es de nuevo un "arrastre" lateral como el movimiento de un cangrejo. Esta vez, sin embargo, protones y electrones son arrastrados en sentidos opuestos. Los protones se mueven a la izquierda y los electrones a la derecha, y ambos movimientos contribuyen a crear una corriente eléctrica de derecha a izquierda.

    La corriente en anillo descrita en la sección #9 es de este tipo. La imagen en esa sección, reproducida aquí, mira hacia abajo sobre el plano ecuatorial de la Tierra, desde el norte. Todas las líneas de campo apuntan hacia arriba, como en el dibujo anterior, y la magnitud del campo magnético se incrementa hacia el interior, hacia la tierra. El arrastre es, por tanto, en la tercera dirección perpendicular, que es la que lleva las partículas alrededor de la Tierra: los electrones en contra del sentido de las agujas del reloj, los protones en sentido de las agujas del reloj, y la corriente fluye también en sentido de las agujas del reloj. El primer dibujo de esta página ilustrando los arrastres magnéticos puede ser considerado (cualitativamente) como una visión ampliada de la situación en la parte inferior de este dibujo de la corriente en anillo.