Electromagnetismo

Partes: 1, 2

El electromagnetismo fue descubierto de forma
accidental en 1821 por el físico danés Hans
Christian Oersted. El electromagnetismo se utiliza tanto en la
conversión de energía mecánica en energía
eléctrica (en generadores), como en sentido opuesto,
en los motores
eléctricos.

En el dibujo hemos
construido un circuito eléctrico con una bobina de cable
de cobre aislado,
arrollada alrededor de un núcleo de "hierro"
(acero
magnético).

El electromagnetismo es un campo muy amplio, por lo
tanto describirlo en pocas palabras es imposible. Así que
se empezará por las corrientes y sus efectos en un cable
conductor

Cuando una corriente (sea alterna o continua) viaja por
un conductor (cable), genera a su alrededor un efecto no visible
llamado campo electromagnético.

Este campo forma unos círculos alrededor del
cable como se muestra en la
figura. Hay círculos cerca y lejos al cable en forma
simultánea.

El campo
magnético es mas intenso cuanto mas cerca está
del cable y esta intensidad disminuye conforme se aleja de
él hasta que su efecto es nulo. Se puede encontrar el
sentido que tiene el flujo magnético si se conoce la
dirección que tiene la corriente en el
cable y con la ayuda de La ley de la mano
derecha

Este efecto es muy fácil visualizar en corriente
continua
La fórmula para obtener el campo magnético en un
conductor largo es :

B = m I / ( 2 p d
)

Donde:

B: campo magnético
m: es la permeabilidad del aire
I: corriente que circula por el cable
p: Pi = 3.1416
d: distancia desde el cable

Si hubiera N cables juntos el campo magnético
resultante sería:

B = N m I / (2 p d

Donde N: número de cables.

El campo magnético en el
centro de una bobina de N espiras circulares es:

B = N m I / (2 R) Donde: R es el radio de la
espira

Nota: es importante mencionar que
Una corriente en un conductor genera un campo magnético
y que
Un campo magnético genera una corriente en un
conductor.

Sin embargo, las aplicaciones mas conocidas utilizan
corriente
alterna.
Por ejemplo:

Las bobinas: Donde la energía se almacena como
campo magnético.

Los transformadores:
Donde la corriente alterna genera un campo magnético
alterno en el bobinado primario, que induce en el bobinado
secundario otro campo magnético que a su vez causa una
corriente, que es la corriente alterna de salida.

Generación
e Interacción de campo
magnético

Aunque los antiguos griegos conocían las
propiedades electrostáticas del ámbar, y los chinos
ya fabricaban imanes con magnetita en el 2700 a.C., los
fenómenos eléctricos y magnéticos no
empezaron a comprenderse hasta finales del siglo XVIII, cuando
comenzaron a realizarse experimentos en
estos campos. En 1785, el físico francés Charles de
Coulomb confirmó por primera vez de forma experimental que
las cargas eléctricas se atraen o se repelen con una
intensidad inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
que las separa (ley de Coulomb). Más tarde el
matemático francés Siméon Denis Poisson y su
colega alemán Carl Friedrich Gauss desarrollaron una
potente teoría
para calcular el efecto de un número indeterminado de
cargas eléctricas estáticas arbitrariamente
distribuidas.

Dos partículas con cargas opuestas se atraen, por
lo que tienden a acelerarse una hacia la otra. Si el medio a
través del cual se mueven ofrece resistencia,
pueden acabar moviéndose con velocidad
constante (en lugar de moverse con aceleración constante)
a la vez que el medio se calienta y sufre otras
alteraciones.

La posibilidad de mantener una fuerza
electromotriz capaz de impulsar de forma continuada
partículas eléctricamente cargadas llegó con
el desarrollo de
la pila química
en 1800, debido al físico italiano Alessandro Volta. La
teoría clásica de un circuito eléctrico
simple supone que los dos polos de una pila semantienen cargados
positiva y negativamente debido a las propiedades internas de la
misma.

Cuando los polos se conectan mediante un conductor, las
partículas cargadas negativamente son repelidas por el
polo negativo y atraídas por el positivo, con lo que se
mueven hacia él y calientan el conductor, ya que ofrece
resistencia a dicho movimiento. Al
llegar al polo positivo las partículas son obligadas a
desplazarse dentro de la pila hasta el polo negativo, en contra
de las fuerzas que se oponen a ello según la ley de
Coulomb. El físico alemán Georg Simon Ohm
descubrió la existencia de una constante de
proporcionalidad sencilla entre la corriente que fluye por el
circuito y la fuerza electromotriz suministrada por la pila. Esta
constante es la resistencia eléctrica del circuito,
R.

La ley de Ohm, que
afirma que la resistencia es igual a la fuerza electromotriz, o
tensión, dividida entre la intensidad de corriente, no es
una ley fundamental de la física de
aplicación universal, sino que describe el comportamiento
de una clase limitada
de materiales
sólidos.

Los conceptos elementales del magnetismo,
basados en la existencia de pares de polos opuestos, aparecieron
en el siglo XVII y fueron desarrollados en los trabajos de
Coulomb. Sin embargo, la primera conexión entre el
magnetismo y la electricidad se
encontró en los experimentos del físico y
químico danés Hans Christian Oersted, que en 1819
descubrió que un cable conductor por el que fluía
una corriente
eléctrica desviaba una aguja magnética situada
en sus proximidades.

A la semana de conocer el descubrimiento de Oersted, el
científico francés André Marie Ampère
demostró experimentalmente que dos cables por los que
circula una corriente ejercen una influencia mutua igual a la de
los polos de un imán.

En 1831, el físico y químico
británico Michael Faraday descubrió que
podía inducirse el flujo de una corriente eléctrica
en un conductor en forma de espira no conectado a una
batería, moviendo un imán en sus proximidades o
situando cerca otro conductor por el que circulara una corriente
variable.

La forma más fácil de enunciar la
íntima relación entre la electricidad y el
magnetismo, perfectamente establecida en la actualidad, es a
partir de los conceptos de campo
eléctrico y magnético. La intensidad,
dirección y sentido del campo en cada punto mide la fuerza
que actuaría sobre una carga unidad (en el caso del campo
eléctrico) o una corriente unidad (en el caso del campo
magnético) situadas en ese punto. Las cargas
eléctricas estacionarias producen campos
eléctricos; las corrientes —esto es, las cargas en
movimiento— producen campos eléctricos y
magnéticos.

Un campo eléctrico también puede ser
producido por un campo magnético variable, y viceversa.
Los campos eléctricos ejercen fuerzas sobre las
partículas cargadas por el simple hecho de tener carga,
independientemente de su velocidad; los campos magnéticos
sólo ejercen fuerzas sobre partículas cargadas en
movimiento.

Estos hallazgos cualitativos fueron expresados en una
forma matemática
precisa por el físico británico James Clerk
Maxwell, que desarrolló las ecuaciones
diferenciales en derivadas
parciales que llevan su nombre. Las ecuaciones de
Maxwell relacionan los cambios espaciales y temporales de los
campos eléctrico y magnético en un punto con las
densidades de carga y de corriente en dicho punto. En principio,
permiten calcular los campos en cualquier momento y lugar a
partir del conocimiento
de las cargas y corrientes.

Un resultado inesperado que surgió al resolver
las ecuaciones fue la predicción de un nuevo tipo de campo
electromagnético producido por cargas eléctricas
aceleradas.

Este campo se propagaría por el espacio con la
velocidad de la luz en forma de
onda electromagnética, y su intensidad disminuiría
de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de
la fuente.

En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz
consiguió generar físicamente esas ondas por
medios
eléctricos, con lo que sentó las bases para
la radio, el
radar, la
televisión y otras formas de telecomunicaciones.

El comportamiento de los campos eléctrico y
magnético en estas ondas es bastante similar al de una
cuerda tensa muy larga cuyo extremo se hace oscilar
rápidamente hacia arriba y hacia abajo.

Cualquier punto de la cuerda se mueve hacia arriba y
hacia abajo con la misma frecuencia que la fuente de las ondas
situada en el extremo de la cuerda. Los puntos de la cuerda
situados a diferentes distancias de la fuente alcanzan su
máximo desplazamiento vertical en momentos
diferentes.

Cada punto de la cuerda hace lo mismo que su vecino,
pero lo hace algo más tarde si está más
lejos de la fuente de vibración (véase
Oscilación). La velocidad con que se transmite la
perturbación a lo largo de la cuerda, o la `orden' de
oscilar, se denomina velocidad de onda (véase Movimiento
ondulatorio). Esta velocidad es función de
la densidad lineal
de la cuerda (masa por unidad de longitud) y de la tensión
a la que esté sometida.

Una fotografía
instantánea de la cuerda después de llevar
moviéndose cierto tiempo
mostraría que los puntos que presentan el mismo
desplazamiento están separados por una distancia conocida
como longitud de onda, que es igual a la velocidad de onda
dividida entre la frecuencia.

En el caso del campo electromagnético la
intensidad del campo eléctrico se puede asociar al
movimiento vertical de cada punto de la cuerda, mientras que el
campo magnético se comporta del mismo modo pero formando
un ángulo recto con el campo eléctrico (y con la
dirección de propagación). La velocidad con que la
onda electromagnética se aleja de la fuente es la
velocidad de la luz.

A finales del siglo XVIII y principios del
XIX se investigaron simultáneamente las teorías
de la electricidad y el magnetismo.

En 1819, el físico danés Hans Christian
Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al
observar que una aguja magnética podía ser desviada
por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que
mostraba una conexión entre la electricidad y el
magnetismo, fue desarrollado por el científico
francés André Marie Ampère, que
estudió las fuerzas entre cables por los que circulan
corrientes eléctricas, y por el físico
francés Dominique François Arago, que
magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de
un cable recorrido por una corriente. En 1831, el
científico británico Michael Faraday
descubrió que el movimiento de un imán en las
proximidades de un cable induce en éste una corriente
eléctrica; este efecto era inverso al hallado por
Oersted.

Así, Oersted demostró que una corriente
eléctrica crea un campo magnético, mientras que
Faraday demostró que puede emplearse un campo
magnético para crear una corriente eléctrica. La
unificación plena de las teorías de la electricidad
y el magnetismo se debió al físico británico
James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas
electromagnéticas e identificó la luz como un
fenómeno electromagnético.Los estudios posteriores
sobre el magnetismo se centraron cada vez más en la
comprensión del origen atómico y molecular de las
propiedades magnéticas de la materia. En
1905, el físico francés Paul Langevin
desarrolló una teoría sobre la variación con
la temperatura de
las propiedades magnéticas de las sustancias
paramagnéticas (ver más adelante), basada en la
estructura
atómica de la materia.

Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la
descripción de propiedades
macroscópicas a partir de las propiedades de los
electrones y los átomos. Posteriormente, la teoría
de Langevin fue ampliada por el físico francés
Pierre Ernst Weiss, que postuló la existencia de un campo
magnético interno, molecular, en los materiales como el
hierro.Este concepto,
combinado con la teoría de Langevin, sirvió para
explicar las propiedades de los materiales fuertemente
magnéticos como la piedra imán.

Después de que Weiss presentara su teoría,
las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez
más detallada. La teoría del físico
danés Niels Bohr
sobre la estructura atómica, por ejemplo, hizo que se
comprendiera la tabla
periódica y mostró por qué el magnetismo
aparece en los elementos de transición, como el hierro, en
los lantánidos o en compuestos que incluyen estos
elementos. Los físicos estadounidenses Samuel Abraham
Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck demostraron en 1925 que los
electrones tienen espín y se comportan como
pequeños imanes con un `momento magnético'
definido. El momento magnético de un objeto es una
magnitud vectorial (véase Vector) que expresa la
intensidad y orientación del campo magnético del
objeto. El físico alemán Werner Heisenberg dio una
explicación detallada del campo molecular de Weiss en
1927, basada en la recientemente desarrollada mecánica
cuántica (véase Teoría cuántica).
Más tarde, otros científicos predijeron muchas
estructuras
atómicas del momento magnético más
complejas, con diferentes propiedades
magnéticas.

El campo magnético

Una barra imantada o un cable que transporta corriente
pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos
físicamente porque los objetos magnéticos producen
un `campo magnético'. Los campos magnéticos suelen
representarse mediante `líneas de campo magnético'
o `líneas de fuerza'. En cualquier punto, la
dirección del campo magnético es igual a la
dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad
del campo es inversamente proporcional al espacio entre las
líneas.

En el caso de una barra imantada, las líneas de
fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro
extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles
cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra
fuera. En los extremos del imán, donde las líneas
de fuerza están más próximas, el campo
magnético es más intenso; en los lados del
imán, donde las líneas de fuerza están
más separadas, el campo magnético es más
débil.

Según su forma y su fuerza magnética, los
distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de
líneas de fuerza. La estructura de las líneas de
fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que
genere un campo magnético puede visualizarse utilizando
una brújula o
limaduras de hierro.

Los imanes tienden a orientarse siguiendo las
líneas de campo magnético. Por tanto, una
brújula, que es un pequeño imán que puede
rotar libremente, se orientará en la dirección de
las líneas. Marcando la dirección que señala
la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de
la fuente del campo magnético, puede deducirse el esquema
de líneas de fuerza. Igualmente, si se agitan limaduras de
hierro sobre una hoja de papel o un plástico
por encima de un objeto que crea un campo magnético, las
limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y
permiten así visualizar su estructura.Los campos
magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos
y sobre las partículas cargadas en movimiento. En
términos generales, cuando una partícula cargada se
desplaza a través de un campo magnético,
experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la
velocidad de la partícula y con la dirección del
campo.

Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad,
las partículas se mueven en trayectorias curvas. Los
campos magnéticos se emplean para controlar las
trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como
los aceleradores de partículas o los
espectrógrafos de
masas.

Naturaleza de los
Imanes

¿Qué es un imán?

Un imán es un material capaz de producir un campo
magnético exterior y atraer el hierro (también
puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que
manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser
naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a
partir de aleaciones de
diferentes metales.En un
imán la capacidad de atracción es mayor en sus
extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a
que tienden a orientarse según los polos
geográficos de la Tierra, que
es un gigantesco imán natural. La región del
espacio donde se pone de manifiesto la acción
de un imán se llama campo magnético. Este campo se
representa mediante líneas de fuerza, que son unas
líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al
polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el
interior de éste; se representa con la letra B

¿De
dónde procede el magnetismo?

Desde hace tiempo es conocido que una corriente
eléctrica genera un campo magnético a su alrededor.
En el interior de la materia existen pequeñas corrientes
cerradas debidas al movimiento de los electrones que contienen
los átomos, cada una de ellas origina un
microscópico imán o dipolo. Cuando estos
pequeños imanes están orientados en todas
direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no
presenta propiedades magnéticas; en cambio si
todos los imanes se alinean actúan como un único
imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha
magnetizado.

¿Puede un
imán perder su potencia?

Para que un imán pierda sus propiedades debe
llegar a la llamada "temperatura de Curie" que es diferente para
cada composición. Por ejemplo para un imán
cerámico es de 450 ºC, para uno de cobalto 800
ºC, etc.También se produce la desimanación por
contacto, cada vez que pegamos algo a un imán perdemos
parte de sus propiedades. Los golpes fuertes pueden descolocar
las partículas haciendo que el imán pierda su
potencia.¿Cuántos tipos de imanes permanentes
hay?Además de la magnetita o imán natural existen
diferentes tipos de imanes fabricados con diferentes
aleaciones:

Imanes cerámicos o ferritas. Imanes de
álnico. Imanes de tierras raras.
Imanes flexibles.
Otros

Imanes
cerámicos

Se llaman así por sus propiedades físicas.
Su apariencia es lisa y de color gris
oscuro, de aspecto parecido a la porcelana. Se les puede dar
cualquier forma, por eso es uno de los imanes más usados
(altavoces, aros para auriculares, cilindros para pegar en
figuras que se adhieren a las neveras, etc.). Son muy
frágiles, pueden romperse si se caen o se acercan a otro
imán sin el debido cuidado. Se fabrican a partir de
partículas muy finas de material ferromagnético
(óxidos de hierro) que se transforman en un conglomerado
por medio de tratamientos térmicos a presión
elevada, sin sobrepasar la temperatura de fusión.
Otro tipo de imanes cerámicos, conocidos como ferritas,
están fabricados con una mezcla de bario y estroncio. Son
resistentes a muchas sustancias químicas (disolventes y
ácidos)
y pueden utilizarse a temperaturas comprendidas entre _40 ºC
y 260 ºC

Imanes de
álnico

Se llaman así porque en su composición
llevan los elementos alumnio, niquel y cobalto. Se fabrican por
fusión de un 8 % de aluminio, un
14 % de níquel, un 24 % de cobalto, un 51 % de hierro y un
3 % de cobre. Son los que presentan mejor comportamiento a
temperaturas elevadas. Tienen la ventaja de poseer buen precio, aunque
no tienen mucha fuerza.

Imanes de
tierras raras

Son imanes pequeños, de apariencia
metálica, con una fuerza de 6 a 10 veces superior a los
materiales magnéticos tradicionales. Los imanes de
boro/neodimio están formados por hierro, neodimio y boro;
tienen alta resistencia a la desmagnetización.

Son lo bastante fuertes como para magnetizar y
desmagnetizar algunos imanes de alnico y flexibles. Se oxidan
fácilmente, por eso van recubiertos con un baño de
cinc, níquel o un barniz epoxídico y son bastante
frágiles.

Los imanes de samario/cobalto no presentan problemas de
oxidación pero tienen el inconveniente de ser muy caros.
Están siendo sustituidos por los de boro _ neodimio.Es
importante manejar estos imanes con cuidado para evitar
daños corporales y daño a
los imanes (los dedos se pueden pellizcar seriamente).

Imanes
flexibles

Se fabrican por aglomeración de partículas
magnéticas (hierro y estroncio) en un elastómero
(caucho, PVC,
etc.).Su principal característica es la flexibilidad,
presentan forma de rollos o planchas con posibilidad de una cara
adhesiva. Se utilizan en publicidad,
cierres para nevera, llaves codificadas, etc.

Consisten en una serie de bandas estrechas que alternan
los polos norte y sur. Justo en la superficie su campo
magnético es intenso pero se anula a una distancia muy
pequeña, dependiendo de la anchura de las bandas. Se hacen
así para eliminar problemas, como por ejemplo que se borre
la banda magnética de una tarjeta de crédito
(se anulan con el grosor del cuero de una
cartera).

Otros
imanes

Los imanes de platino/cobalto son muy buenos y se
utilizan en relojería, en dispositivos aeroespaciales y en
odontología para mejorar la retención de
prótesis
completas. Son muy caros.Otras aleaciones utilizadas son
cobre/níquel/cobalto y hierro/cobalto/vanadio

IMANES NATURALES Y ARTIFICIALESExisten dos tipos de
imanes:
-imanes naturales: son aquellos que se encuentran en la Tierra y que
atraen al hierro. Denominados magnetita, hoy sabemos que es
hierro cristalino Fe3O4. Pero también la Tierra es un
imán natural.
-imanes artificiales: son cuerpos que han sido imanados en forma
artificial. El hierro y el acero pueden ser magnetizados. El
acero se magnetiza permanentemente, como comprobaste con la
aguja; lo mismo sucede con las tijeras: si la dejas en contacto
con el imán durante un rato, se magnetizarán.
Compruébalo

PROPIEDADES

Los imanes poseen dos zonas en las que se concentra la
fuerza que ejercen, estas zonas son los extremos del imán
y reciben el nombre de polos magnéticos, norte y sur. Los
polos del mismo nombre se repelen y los polos opuestos se atraen.
Compruébalo.
Los polos de un imán no se
pueden aislar, es decir, si partes por la mitad un imán,
obtienes dos imanes, cada uno con su polo norte y polo sur
respectivo. La tierra es un imán natural, el polo Norte
geográfico es un polo sur magnético y el polos Sur
geográfico es un polo norte magnético; en esta
propiedad
está basado el funcionamiento de la
brújula.

Un imán puede perder su imantación
de dos formas:
-aplicando el frotamiento en sentido contrario o invirtiendo el
sentido de la corriente, según sea el método que
se usó para imanarlo.
-aplicándole calor.

Aplicaciones

El electroimán es la base del motor
eléctrico y el transformador. El desarrollo de nuevos
materiales magnéticos ha influido notablemente en la
revolución
de los ordenadores o computadoras.
Es posible fabricar memorias de
computadora
utilizando dominios burbuja. Estos dominios son pequeñas
regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la
magnetización global del material. Según que el
sentido sea uno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por
lo que actúa como dígito en el sistema
binario empleado por los ordenadores. Los materiales
magnéticos también son componentes importantes de
las cintas y discos para almacenar datos.

Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas
tecnologías modernas. Los imanes superconductores se
emplean en los aceleradores de partículas más
potentes para mantener las partículas aceleradas en una
trayectoria curva y enfocarlas.

Partes: 1, 2

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