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Hasta 1820 los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos estaban considerados como independientes. Como en otros grandes descubrimientos de la historia, una casualidad ayudó a Hans Christian Oersted a descubrir que ambos estaban relacionados, al observar que la orientación de la aguja de una brújula variaba al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella.
Los estudios de Oersted concluyeron que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno: las fuerzas magnéticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas eléctricas en movimiento. Este fue el origen de lo que hoy conocemos como electromagnetismo, la base del funcionamiento de todos los motores eléctricos y generadores eléctricos.
Magnetita
Historia del magnetismo
El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. El único imán natural conocido es un mineral llamado magnetita, sin embargo, todos los materiales son influidos, en mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. En algunos de ellos es más fácil detectar estas propiedades magnéticas, como por ejemplo el níquel, el hierro o el cobalto.
Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por primera vez por los antiguos griegos, aunque durante siglos se creyó que las magnetitas contenían ciertas propiedades curativas.
Hoy en día, los imanes son utilizados por la ciencia médica para, por ejemplo, medir la actividad cerebral a través de la magnetoencefalografía (MEG), o como terapia de choque para volver a iniciar corazones.
¿Qué es un imán?
Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo y pueden ser naturales, como la magnetita, o artificiales.
Los imanes también se clasifican en permanentes o temporales, según el material con el que se fabriquen o la intensidad de campo magnético al que son sometidos.
Los imanes presentan dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza, situadas en los extremos y denominadas polos magnéticos: norte y sur.
Detalle sobre las zonas de acción de mayor fuerza magnética.
Una de las propiedades fundamentales de la interacción entre imanes es que los polos iguales se repelen, mientras que los polos opuestos se atraen. Este efecto de atracción y repulsión tiene que ver con las líneas de campo magnéticas, que suelen ir del polo norte al sur.
Cuando se acercan dos polos opuestos, estas líneas tienden a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Esta atracción será mayor o menor según sea la distancia entre los dos imanes.
En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas líneas de campos se empiezan a comprimir hacia su propio polo. Cuando esta compresión es máxima, las líneas de campo tienden a expandirse, lo que provoca que los polos iguales de dos imanes no puedan acercarse y se repelan.
Efecto repulsión y atracción en un imán
Otra característica de los imanes es que los polos no se pueden separar. Si un imán se rompe en dos partes no se obtienen un polo norte y un polo sur sino que se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur.
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Efecto de un imán al ser divididos en varias partes
Si tenemos un imán suspendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma dirección. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imán se alinean según los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como imán natural.
Sentido de los polos magnéticos de la tierra
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El campo magnético, flujo magnético e intensidad de campo magnético
El campo magnético es la agitación que produce un imán a la región 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 a la inversa, del polo sur al norte. Son líneas que no se cruzan y se separan 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 cantidad que lo forman se llama flujo magnético. Su intensidad es inversamente proporcional al espacio entre las líneas (a menos espacio, más intensidad).
En un campo magnético uniforme, la densidad de flujo de campo magnético que atraviesa una superficie plana y perpendicular a las líneas de fuerza valdrá:
| B = Φ / S |
Donde la letra griega phi (Φ) es el flujo magnético y su unidad es el Weber (Wb). |
En el caso de que la superficie 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 la superficie. |
Detalle de un imán con la dirección de las líneas de campo.
Las propiedades magnéticas de la materia
Las líneas de campo magnético atraviesan todas las sustancias, pero no todas se comportan de la misma manera, diferenciándose entre materiales ferromagnéticos, materiales paramagnéticos y materiales diamagnéticos.
Los materiales ferromagnéticos se quedan imantados permanentemente y tienen la propiedad de ser atraídos con más intensidad que los paramagnéticos o diamagnético, debido a su permeabilidad relativa.
La permeabilidad relativa es el resultado del producto entre la permeabilidad magnética y la permeabilidad de vacío (constante magnética).
| μr = μ / μ0 |
Curva de histéresis magnética
La magnetización de un material se establece a través de la curva de histéresis. Sea cual sea el material específico, la forma siempre tiene características similares:
- Al principio, la magnetización requiere un mayor esfuerzo eléctrico. Este intervalo es la llamada zona reversible.
- En un determinado punto, la magnetización se produce de forma proporcional. En ese punto se inicia la denominada zona lineal.
- Finalmente, se llega un instante a partir del cual, por mucha fuerza magnética que induzcamos al material, ya no se magnetiza más. Este es el llamado punto de saturación, que determina el inicio de la llamada zona de saturación.
La curva de histéresis magnética se representa:
En horizontal la intensidad de campo magnético H.
En vertical representamos la inducción magnética B, que aparece en el material que estamos estudiando como consecuencia del campo magnético creado.
El campo magnético creado por una corriente eléctrica
El valor del campo magnético creado en un punto dependerá de varios factores: la intensidad de la corriente eléctrica, la distancia del punto respecto al hilo conductor y la forma que tenga el conductor por donde pasa la corriente eléctrica.
Para determinar la dirección y sentido del campo magnético podemos usar la llamada regla de la mano derecha. Como se ve en la figura, utilizando dicha 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 el caso de un hilo conductor rectilíneo se crea un campo magnético circular alrededor del hilo y perpendicular a él.
Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espira, el campo magnético será circular. La dirección y el sentido del campo magnético depende del sentido de la corriente eléctrica.
Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hélice tenemos una bobina o solenoide. El campo magnético en su interior se refuerza todavía más al existir más espiras: el campo magnético de cada espira se suma a la siguiente y se concentra en la región central.
Espira por la cual circula una corriente que genera un campo magnético a su alrededor.
Una aplicación muy común de las bobinas es utilizarlas como electroimanes. Su funcionamiento se basa en la corriente eléctrica que circula a través de la bobina, y un núcleo ferromagnético, colocado en el interior de la bobina, que se convierte en un imán temporal. Cuantas más espiras tenga la bobina, mayor será su campo magnético.
Fuerza electromagnética
Cuando una carga eléctrica está en movimiento crea un campo eléctrico y un campo magnético a su alrededor. Este campo magnético realiza una fuerza sobre cualquier otra carga eléctrica que esté situada dentro de su radio de acción. Esta fuerza que ejerce un campo magnético será la fuerza electromagnética.
Si tenemos un hilo conductor rectilíneo por donde circula una corriente eléctrica y que atraviesa un campo magnético, se origina una fuerza electromagnética sobre el hilo. Esto es debido a que el campo magnético genera fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento.
Si en lugar de tener un hilo conductor rectilíneo tenemos un espiral rectangular, aparecerán un par de fuerzas de igual valor, pero de diferente sentido situadas sobre los dos lados perpendiculares al campo magnético. Esto no provocará un desplazamiento, sino que la espira girará sobre sí misma.
Espira rectangular girando de un campo magnético
La dirección de esta fuerza creada se puede determinar por la regla de la mano izquierda.
Si la dirección de la velocidad es paralela a la dirección del campo magnético, la fuerza se anula y la trayectoria de la partícula será rectilínea.
Si la dirección de la velocidad 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 formado por la velocidad y el campo magnético, la partícula describirá una trayectoria circular.
Si la dirección de la velocidad es oblicua a la del campo magnético, la partícula describirá una trayectoria en espiral.
La regla de la mano izquierda
Faraday-Lenz, la inducción electromagnética y la fuerza electromotriz inducida
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. Este fenómeno es justamente el contrario al que descubrió Oersted, ya que es la existencia de un campo magnético lo que nos producirá corrientes eléctricas. Además, la corriente eléctrica incrementa al aumentar la rapidez con la que se producen las variaciones de flujo magnético.
Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la Ley de Faraday-Lenz.
Basado en el principio de conservación de la energía, Michael Faraday pensaba que, si una corriente eléctrica era capaz de generar un campo magnético, entonces un campo magnético debía también producir una corriente eléctrica.
En 1831 Faraday llevó a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenómeno de inducción electromagnética. Descubrió que, moviendo un imán a través de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente eléctrica, llamada corriente inducida. Además, esta corriente también aparecía al mover el alambre sobre el mismo imán quieto.
Faraday explicó el origen de esta corriente en términos del número de líneas de campo atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue posteriormente expresado matemáticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las cuatro ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.
| Ley de Faraday | "La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varía el flujo magnético que atraviesa un circuito, por unidad de tiempo”. |
| Ley de Lenz | "La corriente inducida crea un campo magnético que se opone siempre a la variación de flujo magnético que la ha producido”. |
En la ecuación se establece que el cociente entre la variación de flujo (Δϕ) respecto a la variación del tiempo(Δt) es igual a la fuerza electromotriz inducida (ξ). El signo negativo viene dado por la ley de Lenz e indica el sentido de la fuerza electromotriz inducida, causa de la corriente inducida, que se debe al movimiento relativo que hay entre la bobina y el imán.
La inducción electromagnética constituye un fenómeno destacado en el electromagnetismo, del que se han desarrollado numerosas aplicaciones prácticas.
- El transformador que se emplea para conectar un teléfono móvil a la red.
- La dinamo de una bicicleta.
- El alternador de una gran central hidroeléctrica.
La inducción electromagnética en una bobina
Para entender correctamente qué es la inducción electromagnética analizaremos una bobina, un componente del circuito eléctrico en forma de espiral que almacena energía eléctrica.
- Cuando el imán y la bobina están en reposo el galvanómetro no señala paso de corriente eléctrica a través de la bobina.
- Si acercamos un imán a esta bobina, observamos que el galvanómetro marca el paso de una corriente eléctrica en la bobina.
- Si alejamos el imán, el galvanómetro marcará el paso de la corriente eléctrica a través de la bobina, pero de sentido contrario a cuando lo acercábamos.
- Si en vez de mover el imán movemos la bobina, podemos comprobar los mismos efectos a través del galvanómetro.
De esta experiencia se puede deducir que la corriente dura mientras se realiza el movimiento del imán o de la bobina y es más intensa como más rápido se haga este movimiento. La corriente eléctrica que aparece en la bobina es la corriente inducida.
¡Aprende jugando! Aquí tienes un juego para trabajar el concepto de inducción electromagnética.
Corrientes de Foucault
Las corrientes de Foucault, también conocidas como corrientes parásitas, fueron descubiertas por el físico francés Léon Foucault en 1851, al construir un dispositivo que utilizaba un disco de cobre el cual se movía en un campo magnético intenso.
Este fenómeno se produce cuando un material conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. En este caso, el movimiento relativo entre el material conductor y el campo magnético variable, causa una circulación de electrones, o corriente inducida a través del material conductor.
Estas corrientes circulares de Foucault crean campos magnéticos variables en el tiempo, que se oponen al sentido del flujo del campo magnético aplicado.
Las corrientes de Foucault, y los campos opositores generados serán mayores cuanto:
- Más fuerte sea el campo magnético aplicado.
- Mayor la conductividad del conductor.
- Mayor la velocidad relativa de movimiento.
Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule, que es un fenómeno irreversible por el cual, si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.
Existen infinidad de aplicaciones que se basan en las corrientes de Foucault, como:
- Los hornos de inducción, de gran utilidad en la industria ya que funcionan a altas frecuencias y con grandes corrientes.
- Los detectores de metales.
- También están presentes en los sistemas de levitación magnética usado en los trenes.
Pero las corrientes parásitas también disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de acero eléctrico, apiladas pero separadas entre sí mediante un barniz aislante u oxidadas tal que queden mutuamente aisladas eléctricamente.
En general, las corrientes de Foucault son indeseadas, ya que representan una disipación de energía en forma de calor, pero, como ya hemos visto, estas corrientes son la base de muchas aplicaciones. También son la causa principal del efecto pelicular en conductores que transportan corriente alterna, lo que crea la mayor parte de las pérdidas en el transporte de la electricidad.
