Unidad N°6 Parte 2 Magnetismo

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Unidad N°6: Electricidad. Corriente eléctrica en los conductores metálicos. Leyes de OHM.
Resistencia eléctrica. Energía. Ley de Joule, Kilowatt; Kilo Watt/Hora. Circuitos de corrientes
continuas. Pilas. Campo Magnético. Imanes. Polos. Masa Magnética. Ley de Coulomb. Intensidad
del campo Electromagnetismo
Electricidad
Desde muy antiguo, se sabía
que si a un material llamado
ambar se lo frotaba, éste era
capaz de atraer a otros
cuerpos. A partir del año 1600
se comenzó a llamar, a ese
fenómeno, con el nombre de electricidad.
En el año 1808 un científico inglés de nombre John Dalton, publicó un libro titulado
“Un nuevo sistema de filosofía química”. En él, da cuenta de que existe una relación
entre la electricidad y la estructura de la materia, a través de varios experimentos.
Sin embargo, recién a fines del siglo XIX se pudo establecer esa relación. En esa
época se descubrió que los átomos estaban compuestos por subpartículas, mas
pequeñitas y livianas, que tenían carga eléctrica y por eso se las llamó electrones.
A comienzos del siglo XX se descubrió que en los átomos existen otras subpartículas
con carga eléctrica, aunque opuesta a los electrones; se las llamó protones. Por
convención se estableció que los electrones tienen carga eléctrica negativa y que los
protones tienen carga eléctrica positiva. Dado que los átomos tienen carga eléctrica
nula, éstos deben tener en su interior la misma cantidad de electrones que de
protones.
Pero un nuevo aporte a la estructura del átomo se hizo cuando se comprobó que la
suma de la masa de los protones y electrones de un átomo no llegaba a ser la mitad de
la masa total del átomo. Fue así que en 1932, se descubrió que existe una tercera
subpartícula, sin carga eléctrica, a la que se denominó neutrón.
El neutrón y el protón son subpartículas muy pequeñitas, su masa es de
0,00000000000000000000000167 gramos y el electrón es 1836 veces menor,
todavía.
PRINCIPIOS DE LA ELECTROSTÁTICA
Al fenómeno físico de la atracción y repulsión de cargas eléctricas se lo conoce hoy
como primer principio de la electrostática. Este principio dice: “Los cuerpos con
cargas de igual signo se repelen, y los que tienen cargas de signos diferentes se

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atraen. Por tratarse de una interacción, las fuerzas que sienten ambos cuerpos son de
igual intensidad, igual dirección y sentidos opuestos”.
Comparada con la fuerza gravitatoria, la fuerza eléctrica es muy intensa. Un sistema
planetario es una estructura ligada por gravedad, ya que las fuerzas que predominan
en su constitución derivan de la interacción gravitatoria, la cual toma valores
significativos por la presencia de grandes masas. En los sistemas de tamaño menor,
por ejemplo el de los seres vivos, los átomos y las moléculas, las fuerzas que
predominan para explicar las uniones entre las distintas partes, son eléctricas.
El segundo principio de la electrostática es equivalente al principio de conservación
de la materia. Dice que la carga eléctrica no puede ser creada ni destruida.
Formalmente se enuncia: “La carga total, es decir, la suma algebraica de la carga
positiva y negativa de todo sistema eléctricamente aislado, se conserva”.
ELECTRIZACIÓN
La principal fuente de electricidad con la que se contaba en el siglo XVIII eran las
máquinas por fricción. Hoy existen otros procedimientos para establecer un
desequilibrio entre las cargas eléctricas de los materiales son los métodos de carga
por contacto y carga por inducción.
En el método de carga por contacto, el desbalance eléctrico se produce
estableciendo el contacto entre un cuerpo cargado eléctricamente y otro neutro. La
carga eléctrica buscará distribuirse entre los dos cuerpos y al separarlos, ambos
cuerpos quedarán cargados con carga del mismo signo.
En el procedimiento de carga por inducción, el desequilibrio en la distribución de la
carga presente en un cuerpo es provocado por la aproximación de otro cuerpo cargado,
llamado inductor. En este efecto conocido como polarización, el desbalance
desaparece cuando se aleja el inductor. Si el signo de la carga del inductor es positivo,
entonces los electrones menos ligados a la estructura del material responderán a la
atracción electrostática. Se ubicarán en la zona más próxima posible al inductor.
Mediante un conductor, se puede descargar, normalmente a tierra, la carga de signo
contrario al que se desea conservar.

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Campo Eléctrico
CARGA ELÉCTRICA
La unidad de medida para la carga eléctrica es el coulomb [C], que por convención
equivale a un exceso o defecto de 6,25*1018
electrones; por lo tanto, la carga
eléctrica de un electrón es de 1,6* 10-19
C. Los protones tienen el mismo valor de carga
eléctrica sólo que positivo.
Así como los cuerpos generan un campo gravitatorio a su alrededor, por el sólo hecho
de poseer masa, las cargas eléctricas producen a su alrededor un campo eléctrico, por
el sólo hecho de poseer carga eléctrica. El campo eléctrico es un fenómeno físico que
produce, sobre las cargas eléctricas, una fuerza que las atrae o las repele de la carga
que originó el campo. Si tenemos una carga eléctrica, ésta generará un campo eléctrico
a su alrededor; si se acerca una carga del mismo signo, sobre ésta aparecerá una
fuerza que la repelerá; pero si se acerca una carga de signo opuesto, la fuerza que
sufrirá la atraerá a la carga original. Por supuesto, la segunda carga que aparece
también generará un campo eléctrico a su alrededor y la carga original también sufrirá
una fuerza eléctrica.
Si las cargas están muy próximas entre sí, las fuerzas serán mayores. En cambio, si las
cargas están muy separadas, las fuerzas se debilitan. De la misma manera, dos cargas
eléctricas atraerán o repelerán a otra con más fuerza, que una sólo. Por lo tanto, el
campo eléctrico será más intenso cuando se tengan mayores cantidades de cargas y
éstas estén muy próximas entre sí. La intensidad de campo eléctrico se calcula como:
⃗
Donde:
es la carga de un protón que se encuentra inmerso en el campo eléctrico generado
por otra/s cargas, en C.
es la fuerza que es ejercida sobre dicho protón
por estar inmerso en el campo eléctrico, en N.
es la intensidad de campo eléctrico en el punto del
espacio en donde su encuentra dicho protón, en N/C.
Por lo tanto, la intensidad de campo eléctrico varía
de un punto a otro del espacio.
Las flechas sobre F y E indican que son magnitudes
vectoriales, ya que el campo eléctrico se puede

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representar mediante un vector actuando sobre la carga, que indica que sentido tiene
el campo.
Al campo eléctrico se lo puede representar con unas líneas que, por convención salen
de las cargas positivas y entran en las negativas. Ellas indican la dirección del campo
en cada ubicación. El número de líneas indica cuán intenso es el campo, en donde se
encuentran muy juntas, su intensidad es mayor; y donde las líneas están muy
separadas, el campo es débil.
LEY DE COULOMB
En 1785, el físico Charles Coulomb encontró que la intensidad de las fuerzas
eléctricas que actúan sobre dos cargas
eléctricas es proporcional a la cantidad
de carga que éstas posean “q1 y q2” y es
inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia “d” que separa a las
cargas. En símbolos:
Donde:
Las cargas se expresan en C, la distancia en m y la fuerza en N.
Y es conocida como constante electrostática, si las cargan se encuentran en el vacío,
su valor es k= 9*109
N*m2
/C2
.
Corriente Eléctrica
DIFERENCIA DE POTENCIAL
Cuando elevamos un objeto a una altura determinada respecto del suelo, estamos
efectuando un trabajo en contra del campo gravitatorio de la Tierra (que atrae a los
objetos) y en consecuencia, el objeto gana energía potencial gravitatoria.
Con las cargas eléctricas pasa lo mismo. Si se
hace mover una carga eléctrica en sentido
contrario al campo eléctrico, se está
realizando un trabajo sobre la carga, que se
traduce en una ganancia de energía potencial
eléctrica para ella. El trabajo que hay que
hacer depende de la posición inicial A de la
carga y de la posición a la que se la lleve B (no
es lo mismo en una zona con campo eléctrico
débil que una zona con campo intenso). Por

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eso, la variación de energía potencial eléctrica o diferencia de potencial se define
como: “el trabajo necesario para mover una carga “q” desde un punto A a un punto B
dentro de un campo eléctrico”. Matemáticamente:
Donde:
es el valor de la carga eléctrica, en C.
es el trabajo o variación de energía potencial eléctrica, en J.
es la diferencia de potencial, en V [Volt].
El Volt [V], también conocido como Voltio, es la unidad de medida
con que el Sistema Internacional llama al “joule sobre coulomb”, en
honor al físico italiano que descubrió la pila eléctrica: Alessandro
Volta.
Si entre dos puntos del espacio (u objetos) existe una diferencia de
potencial de, por ejemplo 220 V, significa que el trabajo necesario
(o energía necesaria) para llevar una carga eléctrica de 1 C desde
uno de esos puntos hacia el otro, en contra del campo eléctrico, es
de 220 J.
Lógicamente, entre más intenso sea el campo eléctrico, más trabajo nos requerirá
transportar una carga en contra de dicho campo, y la diferencia de potencial obtenida
será mayor. El punto de llegada de la carga, que se mueve en sentido contrario al
campo eléctrico, tendrá mayor potencial que el punto de partida. Tal como sucede
cuando levantamos un objeto a cierta altura.
CORRIENTE ELÉCTRICA
Denominamos corriente eléctrica a todo flujo
ordenado de electrones. Se produce una
corriente eléctrica cuando existe un camino
propicio entre dos puntos con diferencia de
potencial.
Sabemos que los electrones están ligados a un átomo a través de una fuerza
electrostática con los protones del núcleo. Si aparece una fuerza externa al átomo,
que es superior a la fuerza que lo liga a él, lo abandonará ionizándolo. Y el electrón
comenzará a moverse en la dirección que le imprime dicha fuerza externa. Si esto le
sucede a todos los átomos de un material, habrá millones de electrones moviéndose en
forma simultánea y ordenada, esto es una corriente eléctrica.
Los metales son conductores porque la fuerza que mantiene a los electrones unidos a
sus átomos es relativamente débil, cualquier fuerza externa más o menos intensa que
sufran, le arrancará los últimos electrones a cada átomo y se producirá una corriente
eléctrica. La fuerza externa debe ser producida por un campo eléctrico que se

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establezca a lo largo del metal y que produzca, entre un extremo y otro, una
diferencia de potencial.
En síntesis, para que exista una corriente eléctrica debe:
 Existir una diferencia de potencial entre dos puntos del espacio.
 Existir un camino que una a dichos puntos con diferencia de potencial.
Dicho “camino” debe ser lo suficientemente bueno como para que los electrones se
muevan fluidamente. Los materiales aislantes no permiten la conducción de los
electrones porque éstos están fuertemente ligados a sus átomos.
Si la diferencia de potencial es muy grande y el camino es lo suficientemente fácil,
ésta arrastrará una gran cantidad de electrones. Denominamos intensidad de
corriente eléctrica a la cantidad de cargas que atraviesa una determinada sección de
material conductor por unidad de tiempo. Matemáticamente:
Donde:
es la cantidad de cargas que atraviesan una sección de conductor, en C.
es el tiempo en que lo hacen, en s.
es la intensidad de corriente, en A.
El sistema internacional le coloca el nombre de Amper [A] a la unidad derivada
Coulomb sobre segundo.
RESISTENCIA ELÉCTRICA
La diferencia de potencial casi nunca podrá “arrancarle” al último electrón al 100% de
los átomos que se encuentren inmersos en el campo eléctrico. Algunos se “resistirán”
más que otros. Llamamos resistencia eléctrica a la oposición al paso de la corriente. El
átomo que se resiste a largar su electrón será un obstáculo a la circulación de los
demás electrones de la corriente, porque el electrón que se ha quedado los repelerá
(por acción electrostática). Entre más largo sea el camino a recorrer por la corriente,
mayor cantidad de “obstáculos” se encontrará; por lo tanto, la longitud “l” de los
cables es un factor que afecta la resistencia total. A mayor longitud mayor
resistencia tiene el cable.
La cantidad de “átomos resistentes” depende de cuán aislante o cuán conductor es un
material. Existe un factor llamado resistividad “ρ” que nos indica el grado de
resistencia de un material específico y que se encuentra tabulado.
Por otra parte, si el conductor tiene una gran sección “S” (es ancho), la corriente
tendrá un camino más espaciado para poder fluir. Esto favorece la circulación de
electrones y disminuye la resistencia de un cable.
La resistencia eléctrica de un cable se puede calcular como:

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Donde:
es la longitud de cable, en m.
es la sección del conductor, en m2
.
R es la resistencia del conductor, en Ω.
ρ es la resistividad del material, en Ω*m.
Ω es una letra griega llamada “ohm” y utilizada por el Sistema Internacional para
indicar la unidad de medida de la resistencia eléctrica.
LEY DE OHM
La ley de Ohm dice: “la intensidad de corriente eléctrica es directamente proporcional
a la diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor y es inversamente
proporcional a la resistencia de dicho conductor”. En símbolos:
Donde:
(a veces se coloca V solo) es la diferencia de potencial, también conocida como
tensión eléctrica, en V [Volt].
es la intensidad de corriente eléctrica, en A.
R es la resistencia del conductor, en Ω.
La Ley de Ohm dice que si el cable tiene alta resistencia, la corriente que circule por
él será baja y viceversa. También que si la tensión es alta circulará más corriente,
pero si la tensión es baja circulará menos corriente.
Circuitos
Un circuito eléctrico es una serie de materiales que
conforman un camino cerrado para la conducción de la
electricidad. Los circuitos eléctricos constan de una
fuente que aporta energía y mantiene una diferencia
de potencial V entre los puntos A y B denominados
bornes. Puede ser, por ejemplo, una pila. Entre ellos se
conecta conectado un elemento que presenta una
resistencia eléctrica de valor R (pueden ser lámparas,
motores, etc.). Los tramos rectos suponen un
conductor que, idealmente, no presenta una resistencia significativa y por lo tanto se

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considera nula. En los circuitos reales, éstos son normalmente cables de cobre. Por el
circuito circula una corriente de intensidad I.
CIRCUITOS SERIE
Son aquellos suyas resistencias
están atravesadas por una misma
corriente, hay un único camino para
la corriente.
Aplicando la Ley de Ohm a cada
resistencia se tiene que:
Es decir que la energía total que entregan las fuentes se deben repartir entre las tres
resistencias, por lo tanto:
O lo que es lo mismo:
Sacando factor común “I”:
Por lo que la resistencia total equivalente de todo el circuito está dada por la suma de
las resistencias:
En los circuitos serie, cada resistencia recibe sólo una porción de la tensión de la
fuente y ésta depende del valor de dicha resistencia.
CIRCUITOS PARALELOS
Son aquellos que tienen a sus resistencias conectadas de tal forma que por ellas
circulan distintas corrientes. Cada resistencia supone un camino distinto para la
corriente. En todas las resistencias se aplica la misma tensión, que el la tensión de la
fuente. Por lo tanto, por Ley de Ohm:
La corriente total que deberá aportar la fuente deberá abastecer la que consume
cada resistencia, por lo que:

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O lo que es lo mismo:
Sacando factor común V, se tiene:
( )
Despejando V:
( )
Pasando I dividiendo:
( )
Por Ley de Ohm , la resistencia total. Por lo tanto:
( )
LEYES DE KIRCHOFF
Para la resolución de circuitos eléctricos se debe tener en cuenta dos Leyes muy
importantes que son consecuencias de las leyes de conservación de la carga eléctrica y
conservación de la energía.
 1era Ley de Kirchoff: En cualquier nodo o borne, la suma algebraica de las
corrientes que entran y salen vale cero.
 2da Ley de Kirchoff: La suma algebraica de las tensiones de todos los
componentes de un circuito en una trayectoria cerrada, llamada malla de un
circuito, vale cero.
Magnetismo
Desde la Antigüedad se sabe que ciertos minerales de hierro
(magnetita) poseen la propiedad, denominada magnetismo, de
atraer limaduras de hierro. Se dice que tales minerales están
imantados.
La magnetita y otras sustancias que presentan este
comportamiento se denominan imanes naturales. Así mismo, ciertos

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materiales (el acero, por ejemplo) pueden adquirir artificialmente la propiedad de
atraer materiales magnéticos, constituyéndose así en imanes artificiales.
En la actualidad, se sabe que cualquier fenómeno de atracción o repulsión magnética no
es otra cosa que una fuerza de acción a distancia, ejercida por una carga en
movimiento sobre otra carga que también está en movimiento. Para explicar el
comportamiento magnético de los imanes, se considera que, puesto que los electrones
son cargas eléctricas en movimiento, es lógico esperar que cada uno de ellos por
separado sea capaz de producir fenómenos magnéticos.
En la mayor parte de las sustancias estos fenómenos no se manifiestan, ya que, por
estar los átomos orientados aleatoriamente, las acciones de sus electrones se anulan
entre sí. Sin embargo, en los materiales magnéticos, los átomos poseen una orientación
tal que las acciones magnéticas de sus electrones se suman unas a otras,
presentándose entonces la posibilidad de visualizarse el fenómeno a nivel macro.
CAMPO MAGNÉTICO
Una carga eléctrica crea a su alrededor un campo eléctrico. Si la carga se mueve
produce además un campo magnético. Se sabe también que toda la carga eléctrica que
se mueva en el seno de un campo magnético experimenta una fuerza. Es decir, si se
tienen dos cargas eléctricas móviles no sólo están sometidas a la atracción
electrostática, sino que además actúan otras fuerzas que dependen de los valores de
las cargas y de sus velocidades. En una región del espacio se dirá que existe un campo
magnético cuando al penetrar en ella una carga móvil experimente una fuerza que
depende de la velocidad de la carga.
Al igual que los campos eléctricos, los campos
magnéticos pueden materializarse mediante líneas de
fuerza. Dichas líneas son curvas no cerradas, ya que
salen de una zona llamada polo norte y entran en una
zona llamada polo sur. Y es en las proximidades de
estos polos donde más apretadas se encuentran las
líneas de fuerza y, como consecuencia, donde con mayor intensidad se manifiestan los
fenómenos magnéticos.
INDUCCIÓN MAGNÉTICA
La inducción magnética B o intensidad de campo magnético sobre un punto del espacio
es la fuerza que actúa sobre una unidad de carga positiva q, que se desplaza
perpendicularmente a las líneas de fuerza y con una velocidad v. Matemáticamente:

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Donde la fuerza se expresa en
N, la carga eléctrica en C y la
velocidad en m/s.
A la unidad resultante, el
Sistema Internacional de
Medidas lo denomina “Tesla” y
se simboliza con la letra T.
Si una carga se mueve dentro
de un campo magnético va a
experimentar una fuerza cuya dirección será perpendicular,
tanto a la dirección en la que se mueve como a la dirección
del campo magnético y hará que la carga se desvíe. En
cuanto al sentido, éste se puede determinar a través de la
regla de la mano izquierda, colocando el dedo mayor
apuntando en el sentido de la velocidad de la carga y con el
dedo índice apuntando en el sentido de las líneas de fuerza,
el pulgar señala el sentido de la fuerza que actúa sobre la
carga móvil.
FLUJO MAGNÉTICO
Es el número total de líneas de fuerza que atraviesan una superficie. Se representa
con la letra griega Φ. El flujo magnético es directamente proporcional a la inducción
magnética puesto que en aquellas zonas en las que el campo magnético es intenso,
habrá más líneas de fuerza apretadas. Por lo que, el flujo magnético se puede calcular
como:
Donde:
B es la inducción magnética, en T.
S es la superficie, en m2
.
Φ es el flujo magnético, en T*m2
.
El Sistema Internacional también le coloca nombre propio a esta unidad derivada. El
“Tesla por metro cuadrado” es denominado Weber y se simboliza con Wb.

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IMANES
Los materiales que tienen un campo magnético más notable que la mayoría se
denominan imanes. Un imán puede ser natural o formado magnetizando un material con
propiedades magnéticas como lo es el hierro. Un material (cuyas propiedades lo
permitan) se magnetiza acercándolo a un campo magnético (por ejemplo a otro imán).
Los imanes tienen dos polos llamados Norte y Sur. Si se divide un imán, éste vuelve a
tener nuevamente dos polos.
En el interior de un imán, el campo magnético es generado por el movimiento es
generado por el movimiento de los electrones
Un imán tiene dos polos: el norte y el sur. Dado que un polo no puede existir de forma
aislada del otro, al romper un imán en dos se obtienen dos imanes, o sea, dos cuerpos
que constan de un polo norte y uno sur, cada uno. Sin embargo, si se produce dicha
fractura, la fuerza de atracción de cada parte es menor que la del imán original. La
fuerza resultante de la atracción entre dos polos forma líneas cerradas, que van de
uno a otro de manera ininterrumpida.

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POLOS MAGNETICOS TERRESTRES
Se conoce como polo magnético al conjunto de puntos del globo terráqueo que se halla
ubicado en las zonas polares y que, debido al campo magnético de la Tierra, ejerce
atracción sobre los elementos imantados. Las brújulas, por ejemplo, cuentan con
agujas que, por la imantación, siempre señalan al polo sur magnético.
Polo magnético
Los polos magnéticos no coinciden con los polos
geográficos: la ubicación de cada polo magnético,
de hecho, evidencia un desplazamiento frente al
eje geográfico del planeta. El ángulo que se crea
entre dicho eje y el eje magnético es representado
por la letra delta (del alfabeto griego) y se conoce
como declinación.
El magnetismo de la Tierra se debe a los
materiales de su núcleo: níquel e hierro. Esta
composición hace que la propia Tierra actúe como un inmenso imán, lo que explica el
funcionamiento de las brújulas. Debido a que los polos diferentes se sienten atraídos y
los idénticos se rechazan, la brújula se orienta al polo norte geográfico, que casi
equivale al polo sur magnético.
Durante mucho tiempo se especuló con que la inversión de los polos magnéticos de la
Tierra podría provocar grandes cambios en el planeta, incluso hasta llevarlo a su
destrucción. Los astrónomos, sin embargo, explican que dicha inversión es normal y se
lleva a cabo cada un cierto periodo (extenso) de tiempo.
Dicha inversión está ligada al debilitamiento del campo magnético terrestre, el cual
protege nuestro planeta de los peligrosos proyectiles de partículas cargadas y de la
radiación que proceden del Sol y del espacio. Este fenómeno, que pone nuestro planeta
en riesgo, se evidenció en el año 1980, gracias al trabajo de algunas misiones
científicas.

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Nuestros antepasados más remotos vivieron una inversión de los polos magnéticos,
aunque para ellos no significó el caos que podría representar en el presente, dado que
se verían comprometidas todas las tecnologías en las cuales se basa la vida moderna,
desde la telefonía móvil hasta Internet, pasando por los sistemas de posicionamiento
global (GPS). Hace 780.000 años, tuvo lugar una inversión completa, y algunos teóricos
se preguntan, en tono ciertamente irónico, si una alteración de este tipo podría
llevarnos de regreso a la Edad de Piedra.
Aunque toma miles de años que los polos se inviertan, nuestros satélites y el
suministro eléctrico de la Tierra pueden verse afectados en el proceso, y es por eso
que los expertos se pusieron manos a la obra a finales del 2013. La Agencia Espacial
Europa (ESA) puso tres satélites en órbita para monitorizar el campo magnético de
nuestro planeta durante cuatro años, en una misión que fue bautizada con el nombre
Swarm (que puede traducirse como Enjambre).
La misión Swarm tiene el objetivo de recoger tanta información como sea posible
acerca de los polos magnéticos terrestres para estudiar el funcionamiento del escudo
magnético y preparar una estrategia ante la catástrofe que significaría quedar
completamente expuestos a la radiación y las partículas solares.
Cabe destacar, por otra parte, que también se conocen como polos magnéticos a los
extremos de los imanes. En estos polos, la atracción que ejercen los imanes es más
potente que en el resto de su cuerpo.