¿Que es magnetismo? En los años 1820 los fenómenos eléctricos y magnéticos se tomaban como dos cosas distintas sin ninguna relación. Como en otros monumentales descubrimientos de la historia, una casualidad ayudó a Hans Christian Oersted a hallar que los dos estaban involucrados, al mirar que la orientación de la aguja de una brújula variaba al pasar corriente por medio de un conductor próximo a ella.
Los estudios de Oersted concluyeron que la electricidad y el magnetismo eran partes de un mismo fenómeno: las fuerzas magnéticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas eléctricas en desplazamiento. Este ha sido los principios de lo cual hoy conocemos como electromagnetismo, la base del manejo de todos los motores eléctricos y generadores eléctricos.
Que es magnetismo
El magnetismo ocasiona que los objetos ejerzan fuerzas de atracción o repulsión sobre diversos materiales. El exclusivo imán natural conocido es un mineral denominado magnetita. Todos los materiales son influidos, en más grande o menor forma por la existencia de un campo magnético. En ciertos de ellos es más simple identificar estas características magnéticas, tales como el níquel, el hierro o el cobalto.
Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por primera ocasión por los viejos griegos, aun cuando a lo largo de siglos se creyó que las magnetitas contenían ciertas características curativas.
En la actualidad, los imanes son usados por la ciencia médica para medir la actividad cerebral por medio de la magnetoencefalografía (MEG), o como terapia de choque para corazones.
¿Qué es un imán? ¿Qué es el campo magnetico?
Los imanes son los materiales que muestran las características del magnetismo y tienen la posibilidad de ser naturales, como la magnetita, o artificiales.
Además se ordenan en permanentes o temporales, conforme el material con el que se fabriquen o la magnitud de campo magnético al que son sometidos.
Los imanes muestran 2 regiones donde las ocupaciones se expresan con más fuerza, situadas en los extremos y llamadas polos magnéticos: norte y sur.
Una de las características primordiales de la relación entre imanes es que los polos equivalentes se repelen, en lo que los polos opuestos se atraen. Este impacto de atracción y repulsión trata sobre las líneas de campo magnéticas, que acostumbran ir del polo norte al sur.
Una vez que se acercan 2 polos opuestos, estas líneas tienden a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Esta atracción va a ser más grande o menor según sea la distancia entre ambos imanes.
Sin embargo, una vez que se acercan 2 polos equivalentes, estas líneas de campos se comienzan a comprimir hacia su propio polo. Una vez que esta compresión es máxima, las líneas de campo tienden a expandirse, lo cual hace que los polos equivalentes de 2 imanes no logren acercarse y se repelan.
Impacto repulsión y atracción en un imán
Otra característica de los imanes es que los polos no se pueden dividir. Si un imán se rompe en 2 piezas no se obtienen un polo norte y un polo sur sino que se obtienen 2 imanes, todos ellos con un polo norte y un polo sur.
Impacto de un imán al ser divididos en algunas piezas
Si poseemos un imán suspendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que constantemente queda orientado hacia una misma dirección. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, puesto que los polos del imán se alinean según los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como imán natural.
El campo magnético
El campo magnético es la agitación que crea un imán a la zona que lo envuelve. Se representa con líneas de campo que parten por el exterior del imán del polo norte al polo sur, y por su interior al contrario, del polo sur al norte. Son líneas que no se cruzan y se parten unas de otras y del imán, tangencialmente a la dirección del campo en cada punto.
Este recorrido de las líneas de fuerza es el circuito magnético y la porción que lo conforman se denomina flujo magnético. Su magnitud es inversamente proporcional al espacio en medio de las líneas (a menos espacio, más intensidad).
En un campo magnético uniforme, la densidad de flujo de campo magnético que atraviesa una área plana y perpendicular a las líneas de fuerza valdrá:
Lineas de fuerza
B = Φ/S Donde la letra griega phi (Φ) es el flujo magnético y su unidad es el Weber (Wb).
En la situación de que el área atravesada por el flujo magnético no sea perpendicular a la dirección de éste tendremos que:
Φ=B*5*cos α Donde alfa (α) es el ángulo que forma B con el vector perpendicular a el área.
Las líneas de campo magnético atraviesan cada una de las sustancias, sin embargo no cada una de se comportan de la misma forma, diferenciándose entre materiales ferromagnéticos, materiales paramagnéticos y materiales diamagnéticos.
Los materiales ferromagnéticos se quedan imantados permanentemente y poseen la propiedad de ser atraídos con más magnitud que los paramagnéticos o diamagnético, gracias a su permeabilidad relativa.
La permeabilidad relativa es igual a dividir la permeabilidad magnética entre la permeabilidad de vacío.
μr = μ / μ0
Curva de histéresis magnética
La magnetización de un material está establecido por medio de la curva de histéresis. Sea como sea el material específico, la manera continuamente tiene propiedades semejantes:
- Al inicio, la magnetización necesita un gran esfuerzo eléctrico. Este intervalo es la llamada región reversible.
- En un definido punto, la magnetización se genera de manera proporcional. En aquel punto se inicia la llamada región lineal.
- Al final, se llega un momento desde el cual, por mucha fuerza magnética que induzcamos al material, por el momento no se magnetiza más. Este es el denominado punto de saturación, que establece el principio de la llamada región de saturación.
La curva de histéresis magnética se representa:
- En horizontal la magnitud de campo magnético H.
- En vertical representamos la inducción magnética B, que surge en el material que estamos estudiando como resultado del campo magnético desarrollado.
El campo magnético desarrollado por una corriente eléctrica
El costo del campo magnético realizado en un punto dependerá de diversos componentes: la magnitud de la corriente eléctrica, la distancia del punto respecto al hilo conductor y la manera que tenga el conductor por donde pasa la corriente eléctrica.
Para establecer la dirección y sentido del campo magnético tenemos la posibilidad de utilizar la llamada regla de la mano derecha. Usando esa mano y apuntando con el dedo pulgar hacia el sentido de la corriente, la curvatura del resto de dedos nos indicará el sentido del campo magnético.
La regla de la mano derecha
En la situación de un hilo conductor rectilíneo se crea un campo magnético circular en torno al hilo y perpendicular a él.
Una vez que poseemos un hilo conductor a modo de espira, el campo magnético va a ser circular. La dirección y el sentido del campo magnético es dependiente del sentido de la corriente eléctrica.
Una vez que poseemos un hilo conductor enrollado a modo de hélice poseemos una bobina o solenoide. El campo magnético en su interior se refuerza aún más al existir más espiras.
Una aplicación bastante común de las bobinas es aprovecharlas como electroimanes. Su desempeño se fundamenta en la corriente eléctrica que circula por medio de la bobina, y un núcleo ferromagnético, colocado en el centro de la bobina, que se convierte en un imán temporal. Cuantas más espiras tenga la bobina, más grande va a ser su campo magnético.
Que es la Fuerza electromagnetica
Para responder que es la fuerza electromagnetica, debemos saber que una vez que una carga eléctrica está en desplazamiento crea un campo eléctrico y un campo magnético a su alrededor. Este campo magnético ejecuta una fuerza sobre cualquier otra carga eléctrica que se encuentre situada en su radio de acción. Esta fuerza que lleva a cabo un campo magnético va a ser la fuerza electromagnética.
Si poseemos un hilo conductor rectilíneo por donde circula una corriente eléctrica y que atraviesa un campo magnético, se origina una fuerza electromagnética sobre el hilo. Es decir ya que el campo magnético crea fuerzas sobre cargas eléctricas en desplazamiento.
Si en vez de tener un hilo conductor rectilíneo poseemos un espiral rectangular, aparecerán dos fuerzas de igual costo, sin embargo de distinto sentido situadas sobre ambos lados perpendiculares al campo magnético. Esto no causará un movimiento, sino que la espira girará sobre sí misma.
Espira rectangular girando de un campo magnético
La dirección de esta fuerza originada se puede decidir por la regla de la mano izquierda.
Si la dirección de la rapidez es paralela a la dirección del campo magnético, la fuerza se anula y la trayectoria de la partícula va a ser rectilínea.
Si la dirección de la rapidez es perpendicular al campo magnético la fuerza vendrá dada por la expresión:
F = Q • v • B
En caso de que esta fuerza sea perpendicular al plano compuesto por la rapidez y el campo magnético, la partícula describirá una trayectoria circular.
Si la dirección de la rapidez es oblicua a la del campo magnético, la partícula describirá una trayectoria en espiral.
Faraday-Lenz, la inducción electromagnética y la fuerza electromotriz inducida
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos cambiantes con la era. Este fenómeno es opuesto al que encontró Oersted, debido a que es la vida de un campo magnético lo que producirá corrientes eléctricas. Además, la corriente eléctrica aumenta al incrementar la velocidad con la que se generan las variaciones de flujo magnético.
Dichos hechos han permitido enunciar la ley que se sabe como la Ley de Faraday-Lenz.
Con base en el inicio de conservación de la energía, Michael Faraday pensaba que, si una corriente eléctrica era capaz de crear un campo magnético, entonces un campo magnético debía además crear una corriente eléctrica.
En 1831 Faraday llevó a cabo una secuencia de experimentos que le han permitido hallar el fenómeno de inducción electromagnética. Halló que, moviendo un imán por medio de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente eléctrica, llamada corriente inducida. Además, esta corriente se mostraba al desplazar el alambre sobre el mismo imán fijo.
Faraday describió los principios de esta corriente en términos del número de líneas de campo atravesados por el circuito de alambre conductor. Esta ha sido después expresada matemáticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las 4 ecuaciones primordiales del electromagnetismo.
Enunciado Ley de Faraday
Ley de Faraday «La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de símbolo contrario a la velocidad con que cambia el flujo magnético que atraviesa un circuito, por unidad de tiempo”.
Ley de Lenz «La corriente inducida crea un campo magnético que se opone constantemente a la alteración de flujo magnético que la ha producido”.
En la ecuación está establecido que el cociente entre la alteración de flujo (Δϕ) en relación a la alteración del tiempo(Δt) es igual a la fuerza electromotriz inducida (ξ). El símbolo negativo viene dado por la ley de Lenz e sugiere el sentido de la fuerza electromotriz inducida, causa de la corriente inducida, que se debería al desplazamiento relativo que hay entre la bobina y el imán.
Inducción electromagnética
La inducción electromagnética constituye un fenómeno destacado en el electromagnetismo, del que se han desarrollado varias aplicaciones prácticas.
- El transformador que se emplea para conectar un teléfono móvil a la red.
- La dinamo de una bicicleta.
- El alternador de una gigantesca central hidroeléctrica.
- La inducción electromagnética esta en una bobina
Para comprender de manera correcta qué es la inducción electromagnética analizaremos una bobina, un elemento del circuito eléctrico a modo de espiral que almacena energía eléctrica.
- Una vez que el imán y la bobina permanecen en reposo el galvanómetro no apunta paso de corriente eléctrica por medio de la bobina.
- Acercamos un imán a esta bobina, observamos que el galvanómetro marca el paso de una corriente eléctrica en la bobina.
- Alejamos el imán, el galvanómetro marcará el paso de la corriente eléctrica por medio de la bobina, sin embargo de sentido opuesto a una vez que lo acercábamos.
- Si en sitio de desplazar el imán movemos la bobina, tenemos la posibilidad de revisar los mismos efectos por medio del galvanómetro.
De esta vivencia se puede deducir que la corriente tiesa a medida que se hace el desplazamiento del imán o de la bobina y es más fuerte como más veloz se realice este desplazamiento. La corriente eléctrica que surge en la bobina es la corriente inducida.
Corrientes de Foucault
Las corrientes de Foucault, además conocidas como corrientes parásitas, fueron descubiertas por el físico francés Léon Foucault en 1851, al edificar un dispositivo que empleaba un disco de cobre el cual se movía en un campo magnético profundo.
Este fenómeno se genera una vez que un material conductor atraviesa un campo magnético variable, o al revés. En esta situación, el desplazamiento relativo entre el material conductor y el campo magnético variable, causa una circulación de electrones, o corriente inducida por medio del material conductor.
Estas corrientes circulares de Foucault inventan campos magnéticos cambiantes en la época, que se oponen al sentido del flujo del campo magnético aplicado.
Las corrientes de Foucault, y los campos opositores causados van a ser más grandes cuanto: Más intenso sea el campo magnético aplicado, más grande la conductividad del conductor y más grande la rapidez relativa de desplazamiento.
Las corrientes de Foucault inventan pérdidas de energía por medio del impacto Joule, que es un fenómeno irreversible por el que en un conductor circula corriente eléctrica. La energía cinética de los electrones se transforma en calor gracias a los choques que padecen con los átomos del material conductor por el cual transitan, elevando la temperatura del mismo.
Aplicaciones en las corrientes de Foucault
Hay infinidad de aplicaciones que se fundamentan en las corrientes de Foucault, como:
- Los hornos de inducción, de gran utilidad en la industria debido a que funcionan a altas frecuencias y con monumentales corrientes.
- Los detectores de metales.
- Además permanecen presentes en los sistemas de levitación magnética utilizado en los ferrocarriles.
Empero las corrientes parásitas además reducen la eficiencia de varios dispositivos que utilizan campos magnéticos cambiantes, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas usando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (como ejemplificando ferrita) o usando delgadas hojas de acero eléctrico, apiladas empero separadas entre sí por medio de un barniz aislante u oxidadas tal que queden mutuamente recluidas eléctricamente.
Generalmente, las corrientes de Foucault son indeseadas, debido a que representan una disipación de energía a modo de calor, empero, como ya hemos observado, estas corrientes son la base de muchas aplicaciones. Además son la causa primordial del impacto pelicular en conductores que transportan corriente alterna, lo cual crea la mayoría de las pérdidas en el transporte de la electricidad.