1. ELECTOMAGNETISMO

4.1.  Magnetismo

Hace mas de 2000 años, se descubrió un mineral llamado magnetita. Los antiguos lo llamaron “piedra imán”. Tenía la extraña propiedad de atraer pequeñas partículas de hierro. Si bien este fenómeno no fue comprendido, se lo atribuyó a un efecto invisible denominado magnetismo, denominación que proviene

de Magnesia, lugar de la antiguaGrecia donde fue hallada la piedra.

CON EL TIEMPO ESTAS PIEDRAS RECIBIERON EL NOMBRE DEIMANES.

Fig. 4.1. Magnetita

Por un largo tiempo, los imanes fueron considerados como una curiosidad. Posteriormente se descubrió que si se suspendía horizontalmente una piedra imán de forma tal que pueda girar libremente, un extremo siempre apunta al Sur, mientras que el otro apunta al Norte. Este fue el nacimiento de la brújula, elemento valioso para los navegan- tes y viajeros.

Fig. 4.2. Brújula

Muchos años mas tarde, se comprobó que la Tierra se comporta como un imán gigantesco y que la interacción entre el magnetismo de la Tierra y el de la brújula era el que producía su movimiento. También se comenzó a relacionar magnetismo con electricidad. Se descubrió que el paso de la corriente eléctrica por un cable producía el mismo efecto que un imán y también que, bajo ciertas circunstancias, los imanes podían generar corrientes en un cable.

Imanes naturales y artificiales

La magnetita es un mineral que presenta propiedades magnéticas tal como se lo halla en la naturaleza, por lo que se denomina imán natural.  Sin embargo,  también es posible fabricar imanes, por distintos métodos, los que son denominados entonces imanes artificiales.

Materiales magnéticos y no magnéticos

Si tomamos un imán y lo vamos acercando a distintos materiales, veremos que se pega en algunos y en otros no. En general, el imán es atraído por los metales, pero no por materiales como los plásticos o la madera.

Esto nos permite hacer una división entre los materiales, según como reaccionen ante el magnetismo:

Materiales ferromagnéticos: Reaccionan ante el magnetismo. Son los materiales que "se pegan a los imanes". Se pueden magnetizar, es decir, convertirse en imanes. El hierro y sus aleaciones son magnéticos, lo mismo que el Níquel y el Cobalto. También algunas cerámicas, usadas en la fabricación de imanes, como la ferrita.

Materiales paramagnéticos: Son la mayoría de los que encontramos en la naturaleza. No presentan ferromagnetismo, y su reacción frente al magnetismo es muy poco apreciable. Por ejemplo el bronce, la madera, vidrio, goma, etc.

Materiales diamagnéticos: Estos materiales repelen el magnetismo. En general, esta acción diamagnética es muy débil, y no es comparable al efecto que produce el campo magnético sobre los materiales ferromagnéticos. Ejemplos: Cobre, Bismuto.

Polos de un imán

Jugando con un imán podemos notar que no tiene la misma “fuerza” en todas sus par- tes, por el contrario, hay lugares en los que el magnetismo es mas intenso que en otros. Estas partes del imán se denominan polos. Todos los imanes

tienen dos polos: el POLO NORTE y el POLO SUR.

Fig.4.3-POLOS DE UN IMAN

Estos nombres están relacionados con el alineamiento de los imanes con el campo magnético de la Tierra (el principio de funcionamiento de la brújula)

Si se corta una imán al medio, no queda un polo Norte aislado de otro polo Sur, en cambio, tendremos dos nuevos imanes completos, cada uno con su polo N y S. Por esto se dice que los imanes son dipolos.

Fig. 4.4. Los imanes siempre tienen dos polos

2. interacción entre polo de los imanes

Interacción entre los polos de un imán

Si tomamos dos imanes y los ponemos frente a frente vere- mos que en algunas posiciones los mismos se atraen y en otros se repelen. Si marcamos el polo Norte y Sur de cada uno de ellos veremos que se cumple la siguiente regla:

POLOS OPUESTOS SE ATRAEN, POLOS IGUALES SE REPELEN

Origen del magnetismo

¿Cómo se explica el magnetismo? El fenómeno del magnetismo está asociado con los electrones de los átomos que forman  a  cada  sustancia.  Estos átomos se pueden comportar como imanes diminutos, teniendo cada uno de ellos su polo Norte y Sur. En los materiales que no están magnetizados,  estos  pequeños  imanes están desordenados y sus polos apuntan en todas direcciones, por lo que no se aprecian efectos magnéticos.

Cuando a un material como este se lo expone al magnetismo, estos imanes diminutos se alinean en la misma dirección, reforzándose uno con el otro y creándose así un  imán.

El campo magnético

Ya vimos cómo se atraen o repelen dos imanes. Esta es una acción a distancia que ocurre por algún medio invisible, que no somos capaces de percibir. Para explicar esto, se ha creado el concepto de campo magnético, como algo invisible e intangible que existe alrededor de un imán y que es el causante de los fenómenos magnéticos. Si bien es invisible, podemos darnos una idea de su forma a través de sus efectos, por ejemplo esparciendo limaduras de hierro sobre un papel y  poniendo luego un imán  debajo. Podremos ver que las limaduras se van alineando de una forma característica alrededor del imán, poniendo en evidencia al campo magnético que lo rodea.

Fig. 4.8. Campo magnético alrededor de un imán

Líneas de campo

El campo magnético es invisible pero lo podemos represen- tar gráficamente con líneas.  Las líneas del campo magnético salen del polo Norte y entran por el polo Sur. Se dibujan de manera tal que, donde están mas juntas o apretadas repre- senta una mayor intensidad del campo, y donde están mas espaciadas, que la intensidad del campo es débil. Las líneas de campo siempre son cerradas, aunque por conveniencia a veces se las dibuje abiertas, como en la siguiente imagen:

Las líneas de campo magnético no tienen una existencia real y fisica, son sólo una representación gráfica de la intensidad y forma del campo magnético, pero es un concepto muy útil para explicar algunos fenómenos magnéticos, como cuando los polos de dos imanes se atraen o repelen.                                   

3. intensidad del campo magnético

Intensidad del campo magnético

Como cualquier magnitud fisica, el campo magnético puede ser medido si se dispone de los instrumentos adecuados. Como vimos antes, el campo magnético se representa con líneas. El número total de líneas se llamaflujo magnético, se representa con la letra griega Φ (fi) y se mide en Weber.

mas lineas mayor flujo magnético

 menos lineas menor flujo magnético

Otra magnitud empleada para medir el campo magnético es la Inducción magnética, que se define como la cantidad de líneas de campo magnético que atraviesan una superficie. En cierta forma nos indican cuan densas o apretadas están las líneas de fuerza.Se representa con la letra B y su unidad es el Tesla.

Podemos calcular la Inducción magnética a partir del flujo magnético:

Donde:

B: Inducción magnética (Tesla) Φ:Flujo magnético (Weber)

S: Superficie atravesada por las líneas de fuerza (2)m

En la siguiente imagen podemos ver dos casos: a la izquierda, el Flujo magnético es de 1 Weber, a la derecha 2 Wb. Si la superficie atravesada es la misma (1 metro cuadrado), la inducción a la izquierda es de 1 Tesla mientras que a la derecha es de 2 Tesla.

4. EL CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA

El campo magnético terrestre

Hace al menos unos 4.000 años que se conoce que al sus- pender un material magnetizado de manera tal que pueda girar libremente, el mismo se orienta siempre en la misma dirección, apuntando un extremo hacia el Norte y otro hacia el Sur. Este descubrimiento dio origen a la invención de la brújula, un instrumento sumamente útil para conocer nuestra posición respecto de los puntos cardinales.

Este comportamiento de la aguja de la brújula se debe a que la Tierra se comporta como un gigantesco imán, con su polo SUR muy cerca del polo Norte geográfico y su polo NORTE en las cercanías del polo Sur geográfico, en la zona de la Antártida. Por esta razón, dondequiera que estemos, la aguja imantada  de  la  brújula,  que no es otra  cosa  que un  pequeño imán, se ve atraída por los polos magnéticos terrestres, lo que la lleva a alinearse siempre en la dirección Norte-Sur.

 Fig. 4.13. El campo magnético terrestre

El campo magnético de la Tierra es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y está presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol. Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), protegiéndonos  del  viento  solar,  un  flujo  de  partículas  y energía  proveniente  del  Sol  que  si  nos  impactara  directa- mente haría casi imposible la vida sobre nuestro planeta.

Los polos de este gigantesco imán terrestre no coinciden exactamente con los polos geográficos. Por ejemplo, el Polo Sur Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico. Además, están en movimiento permanente. Se ha encontrado que hace unos 700.000 años aproximada- mente, estaban exactamente al revés de su posición actual.

5. Corriente eléctrica y magnetismo

4.1.  Corriente eléctrica y magnetismo

Hoy sabemos que hay una estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo, pero no era así antes de 1820, cuando el físico danés Hans Christian Oersted realizó un descubrimiento que daría origen a lo que hoy conocemos como Electromagnetismo.

Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se inclinaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo.

El francés André Marie  Ampare conoció los experimentos de Oersted en septiembre de 1820, lo que le sirvió para desarrollar poco más tarde la teoría que sería el punto de partida del electromagnetismo.

Gracias a estos trabajos, hoy sabemos que siempre que circula una corriente eléctrica por un conductor, se genera a su alrededor un campo magnético, cuya intensidad es proporcional a la magnitud de la corriente que lo atraviesa.

Montaje empleado por Oersted. Consta de una batería, un interruptor y un conductor debajo del cual se ubica la brújula.

Campo magnético en un conductor

Si espolvoreamos limaduras de hierro sobre una hoja de pa- pel que es atravesada por un conductor por donde circula una corriente eléctrica, observaremos que las limaduras se orientan y forman un dibujo circular. (Fig. 4.15)

Esto demuestra que cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica, a su alrededor aparece un campo magnético. Las líneas de fuerza de ese campo tienen la forma de círculos con centro en el conductor que lleva la corriente.

FIg. 4.15. Campo magnético alrededor de un conductor que transporta una corriente eléctrica

Para determinar la dirección del campo magnético producido por la corriente se puede usar la “regla de la mano derecha”: el pulgar debe apuntar en el sentido de circulación de la corriente y el resto de los dedos señalan la dirección de las líneas de fuerza.

6. Campo magnético en una espira

Campo magnético en una espira

 Fig. 4.17. Campo magnético en una espira

Campo magnético en una bobina

Una bobina de este tipo a veces es llamada también SOLENOIDE.

Fig. 4.18. Campo magnético en una bobina

 

Electroimanes

 

El campo magnético en una bobina es muy parecido al de los imanes rectangulares que vimos en la unidad anterior. Esto nos sugiere que podemos construir un  imán cuyo campo magnético provenga de la corriente eléctrica. Esto tiene múltiples ventajas, ya que podemos controlar la intensidad del magnetismo (controlando la intensidad de la corriente eléctrica) e incluso podemos activar y desactivar el imán a voluntad a través de un interruptor que permita o no el paso de la corriente. Para hacer mas intenso el campo magnético generado por la corriente, la bobina se enrolla sobre un material ferromagnético que tiene la propiedad de “concentrar” las líneas de fuerza magnéticas. Este material recibe el nombre de NÚCLEO del electroimán.

Fig. 4.19. Solenoide

7. Electroiman

La construcción de un electroimán es muy sencilla: sólo necesitas un clavo grande o un bulón de hierro o acero y algunos metros de alambre esmaltado. Enrolla unas 100 vueltas de alambre sobre el clavo o bulón, bien apretadas una al lado de la otra. Si llegas al final y no has alcanzado el número de vueltas, enrolla una segunda capa de alambre sobre la primera, pero siempre siguiendo la misma dirección, si no el campo magnético generado por una capa anulará al campo generado por la otra.

Luego raspa con una trincheta o un papel de lija los extremos del alambre para limpiarlos del esmalte aislante y conéctalos a una pila de 9V, una fuente de alimentación o un cargador de celular.

Fig. 4.20. Electroimán casero

prueba el electroiman con distintas cantidades de vueltas de alambre y distintos valores de corriente y verás que es mas potente  mientras mas vueltas tenga y mientras mas corriente circule.

Fuerza Magnetomotriz

Si construyes el electroimán como se explica mas arriba y pruebas que pasa al cambiar la cantidad de vueltas de alambre y la corriente que circula por la bobina, notarás que con mas vueltas de alambre o con mas corriente circulando por la bobina, el imán es mas potente. Esto se debe a que el campo magnético es producido por la corriente y a mayor intensidad, mas campo magnético. De la misma forma, si agregas vueltas de alambre estás reforzando la acción  de cada una de las espiras, con lo que el campo también se hace mas potente. Esta capacidad de la bobina de generar un campo magnético en el núcleo del electroimán se denomina Fuerza magnetomotriz y se define de la siguiente forma: