Magnetismo 2011
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Una de las fuerzas naturales que tiene estrecha relación con la electricidad es el
magnetismo; conocido como la propiedad que tienen ciertas sustancias de atraer al fierro
y al acero.
La diferencia fundamental entre el fierro y el acero en cuanto a propiedades
magnéticas, está en que el fierro se transforma en imán bajo la acción de otro imán, pero
pierde estas propiedades si se aleja de la acción del campo magnético del imán que lo
imantó. Por esto se dice que es un imán
permanente.
Los cuerpos que poseen estas propiedades de atraer al fierro y al acero se llaman
imanes. Los imanes se pueden dividir en dos grupos los naturales y los artificiales:
· Imanes naturales: Son los materiales que se encuentran en estado natural en forma
de óxido de fierro (Fe3O4) , conocido como magnetita, pirita o piedra imán.
· Imanes artificiales: Estos se fabrican de acero al carbono, con porcentajes de cromo,
tungsteno, cobalto, aluminio, níquel y cobre.
Las regiones de un imán, en que el magnetismo se hace sentir con mayor intensidad
se les llama Polos. Por lo tanto, un cuerpo magnetizado tendrá un polo Norte y uno Sur.
Entre los polos Norte y Sur aparece lo que se llama plano neutro.
Para la determinación de polaridades magnéticas y de orientación geográfica, es de
gran ayuda la brújula. En sí, es un pequeño imán permanente artificial equilibrado
cuidadosamente y con el mínimo rozamiento de modo que pueda girar libremente sobre
una punta afilada.
2. Materiales magnéticos
Existen otros elementos que si bien no tienen las características del fierro, manifiestan,
en distinto grado, propiedades magnéticas, los que se clasifican en:
· Ferromagnéticos: Son todos aquellos elementos que tienen fierro como base y que
poseen por tanto propiedades magnéticas muy definidas.
· Paramagnéticos: Son todos aquellos elementos químicos y metales que acusan
ligeras propiedades magnéticas, por ejemplo: cobalto, níquel y algunas de sus aleaciones,
tienen propiedades magnéticas en grado muy inferior al fierro.
· Diamagnéticos: Son todos aquellos elementos en que la existencia de propiedades
magnéticas es posible detectarla solamente con mediciones de gran precisión.
Teoría de Ewing
Una de las características de los imanes es que cualquier imán permanente que
tengamos, si lo dividimos en trozos cada vez más pequeños vamos a tener siempre un
imán con sus polos Norte y Sur con todas sus propiedades.
La teoría de Ewing considera el fierro como formado por moléculas o por imanes
moleculares; vale decir, que cada molécula es un imán elemental.
Fig.1. Presencia del campo magnético a)
cuerpo desimantado b) cuerpo imantado
Así, cuando un material magnético no está imantado, los imanes moleculares están
dispuestos al azar.
Aunque esta teoría se ha sustituido por la nueva concepción atómica, es la que más se
le acerca y da una visión práctica de lo que realmente ocurre.
4. Campo magnético
La presencia y forma del campo magnético se manifiesta mediante la siguiente
experiencia práctica: Sobre un imán se coloca un pedazo de papel, y sobre éste se
espolvorean limaduras de fierro. Inmediatamente las limaduras toman una orientación
determinada, dando lugar a que se formen líneas regulares entre los polos, La influencia
de los imanes se extiende en una región que alcanza hasta lugares bastante alejados de
ellos. La
figura visible que se forma se llama espectro magnético.
Fig.2. Presencia del campo magnético
5. Líneas de Fuerza Magnética
Las líneas que forman las limaduras entre los polos del imán, se conocen con el
nombre líneas de fuerza magnética1 .
Fig.3. dirección de las líneas de fuerza magnética
Las líneas que van por el interior del imán se llaman líneas de imanación y el recorrido
completo de las líneas fuerza se llama circuito magnético.
Como las líneas de fuerza son continuas, es evidente que si se rompe un imán
rectangular, en cada fragmento aparecerá un polo Norte y uno Sur (teoría de Ewing)
cuyas intensidades serán iguales.
Fig.4. circuito magnético: a) un imán b) dos imanes
6. Ley de atracción y repulsión
Si dejamos mover libremente dos imanes que se encuentran a cierta distancia, ocurrirá
que al encontrarse frente a frente dos polos del mismo nombre éstos se repelen; en tanto
que si los polos son de distinto nombre se atraen.
1
Líneas de fuerza magnética, líneas de fuerza; líneas d flujo magnético; líneas de inducción magnética, son términos sinónimo s que en el fondo
indican presencia de un campo magnético
Ley de atracción y repulsión
7. Magnetismo remanente
Como hemos dicho anteriormente el fierro se transforma en imán bajo la
acción de otro imán, pero pierde estas propiedades cuando cesa el efecto del imán que lo
imantó, quedando en él solo un pequeño residuo, llamado magnetismo remanente
8. Definiciones de unidades magnéticas
En el estudio del magnetismo intervienen distintas unidades magnéticas que
le dan características definidas al fenómeno mismo. Estas definiciones son:
· Flujo: El flujo magnético es igual al número total de líneas de fuerza que existen en el
circuito magnético. Su símbolo es fi () y su unidad de medida es el Maxwell.
· Densidad De Flujo: La densidad de flujo o inducción magnética se define como la
relación entre el flujo que pasa a través de un circuito magnético y la sección transversal
de dicho circuito. Su símbolo es () y su unidad de medida es el Gauss.
· Intensidad De Campo: Es la acción de un campo magnético sobre un polo magnético
ubicado en un punto de este campo. Su símbolo es (H) y su unidad de medida es el
Oersted.
· Reluctancia: es la resistencia que opone un material al paso del flujo magnético. Su
símbolo es () y su unidad de medida es el cm 3.
· Permeabilidad: es la relación de conductibilidad magnética de una sustancia con
respecto a la conductibilidad del aire. Su símbolo es ()
Fuerza Magnetomotriz (f.m.m.): Es la diferencia de potencial magnético entre dos
puntos. Su símbolo es (F) y su unidad es el Gilbert.
Saturación Magnética.
Si en un circuito aplicamos una f.m.m.
10. Inducción magnética
Si se aproxima el polo norte de un imán a una pieza de fierro, se produce su
imanación por inducción, creando un polo Sur en la parte del fierro puesta en contacto con
el imán.
La razón por la cual un polo Norte induce un polo Sur y viceversa, es por que las líneas
de inducción que parten del polo Norte del imán se concentran en la barra de fierro dulce,
porque el fierro deja pasar mucho mejor las líneas de fuerza magnética que el aire.
11. Aislación Magnética
En los circuitos eléctricos los materiales que no son conductores son aisladores. En el
caso de magnetismo, los materiales no magnéticos no son aisladores. No se conoce
ningún aislante del flujo magnético.
Es conveniente proteger algunos instrumentos o aparatos sensibles contra la acción de
campos magnéticos externos que puedan falsear una medición. Esta pantalla
absorbe prácticamente todo el flujo magnético y con ello se evita que afecte el campo de
medición del instrumento.
Fig.7 Pantalla Magnética
Se
puede colocar también más de una pantalla superpuesta, separadas por espacios de aire
y se obtienen mejores resultados.
Debe reiterarse que no se puede obtener una protección perfecta con este sistema, pues
el flujo magnético siempre encuentra un paso a través del aire en paralelo con el fierro de
la pantalla.
11. Efecto de la temperatura
· Punto de Curie: El fierro es magnético hasta los 750"C aproximadamente. Sobre esta
temperatura la estructura íntima de la materia cambia radicalmente, con lo que el fierro
pierde sus propiedades magnéticas. La temperatura en la que se produce este efecto se
llama punto de Curie.
Con fuerzas magnetizantes débiles, la permeabilidad aumenta con la temperatura,
hasta cerca del punto de Curie.
Estos son más o menos los extremos. Por la relación íntima que hay entre la
estructura de la materia y magnetismo, y por la relación entre la temperatura y la
estructura, se puede comprender que los cambios de temperatura afectan las
propiedades magnéticas del material
· Envejecimiento: Cuando el fierro está sometido a temperaturas elevadas durante
períodos largos tiene lugar en ellos una fatiga magnética que se conoce como
envejecimiento. Se manifiesta por una disminución de la permeabilidad y un aumento en
las pérdidas por histéresis.
El mejoramiento de las aleaciones ferromagnéticas, como es el caso de los aceros al
silicio, le da características que prácticamente evitan el envejecimiento.
ELECTROMAGNETISMO
Se puede definir Electromagnetismo, como la forma de obtener magnetismo mediante una
corriente eléctrica
1. Campo magnético de un Conductor
Si sobre una pantalla de cartón o vidrio, se espolvorean limaduras de fierro y esta
pantalla es atravesada por un conductor recorrido por una corriente eléctrica, las
limaduras formarán círculos concéntricos que se cierran alrededor del conductor,
indicando la presencia de un campo magnético. Si se interrumpe la corriente las partículas
quedan nuevamente en libertad.
Fig. 1 Experiencia para demostrar la existencia de campo magnético en un conductor
recorrido por una corriente
La corriente que circula por el conductor, crea un campo magnético a lo largo de dicho
conductor.
Fig. 2 Campo magnético alrededor de un conductor
La dirección en que se cierran las líneas de fuerza, se puede determinar de las
siguientes maneras:
Si se coloca un sacacorchos en el sentido que avanza la corriente eléctrica, la rotación
del sacacorchos nos dará la dirección en que se cierran las líneas de fuerza.
También, si se toma con la mano derecha un conductor de modo que el dedo pulgar
indique la dirección de la corriente, el resto de los dedos indicará la dirección en que se
cierran las líneas de fuerza.
Fi g. Mano derecha: Dirección de las líneas de fuerza.
La entrada de la corriente en un conductor se representa gráficamente por una cruz y la
salida por un punto.
Fig. Entrada y salida de la corriente en un conductor .
La relación que se establece entre corriente y campo magnético queda determinada
cuantitativamente por la ley de Biot - Savart2.
2. Campo magnético de una espira
Si un conductor recorrido por una corriente lo doblamos en forma de espira, los anillos
concéntricos a lo largo del conductor, tienden a componerse de tal modo que hacen que
perpendicularmente al conductor aparezca un campo con una polaridad norte y sur.
2
Los físicos franceses Jean Biot (1774 – 1862) y Felix Savart (1791-1841) dedujeron en 1820 una ecuación que permite calcular el campo magnético
creado por un conductor al ser recorrido por una corriente eléctrica.
Campo en un conductor en forma de espira.
Cuando un conductor forma “n” espiras o vueltas, recibe el nombre de bobina o
solenoide.
Fig. Campo creado por una bobina o solenoide.
La dirección del campo magnético en la bobina se determina aplicando cualquiera de
estas reglas:
1.
Fig.8. Dirección del campo magnético en una bobina
2.
Fi g. Polos de una bobina según sentido de la corriente.
El comportamiento de la bobina es como el del imán, cosa que será fácil comprobar si
hacemos la experiencia con las limaduras de fierro.
En el interior de la bobina el campo magnético puede aceptarse como constante,
mientras que exteriormente en las superficies frontales se dispersa con rapidez. En la
3. Acción dinámica entre dos conductores paralelos
Si dos conductores son recorridos por una corriente, cada uno inducirá su propio campo
magnético; si estos conductores corren paralelos se producirá un efecto dinámico entre
ellos según sea el sentido de la corriente en ambos.
Según sea el sentido de la corriente, tenemos que, conductores que conducen corriente
en el mismo sentido tienden a atraerse, en tanto que sí: conducen corriente en sentido
contrario se repelen.
Fig. b) recorridos
por corrientes en distinto sentidos.
4. Curva de magnetización o curva B-H
La relación entre el flujo y la f.m.m. de un cuerpo aunque esté específicamente
determinada, no se obtiene por medio de una fórmula simple puesto que la reluctancia 3 no
es constante, sino que varía con la densidad de flujo y también con las situaciones
magnéticas precedentes; vale decir, si el material ha sido previamente magnetizado o si
tiene una cierta magnetización.
Cuando la f.m.m.
Esta relación está determinada por las llamadas curvas de magnetización.
La figura 11 muestra una curva típica de magnetización. Esta curva parte de un valor
cero (siempre que el material no haya sido magnetizado previamente), sube con una
cierta inclinación hasta A para hacer un tramo prácticamente recto hasta A 1, indicando
que entre A y A1, B es proporcional a H; luego se curva en A1 para estirarse nuevamente,
pero en otra dirección. La parte redondeada de la curva (marcada en la figura por un
círculo segmentado) se llama codo de la curva y es lo que podríamos llamar el punto
normal de magnetización. Cuando esto ocurre se dice que el fierro está saturado.
3
Reluctancia es la resistencia al paso del flujo magnético
Fig. Curva de Magnetización y Curva de permeabilidad.
5. Inducción electromagnética
La inducción electromagnética es el proceso contrario al electromagnetismo, o sea, la
forma de obtener electricidad con la ayuda de un campo magnético.
Para ello se recurre a una experiencia, en la que se ha de disponer de los elementos que
se indican en la figura 12: una bobina, un galvanómetro4 sensible y un imán permanente.
Al colocar el imán dentro de la bobina, en el galvanómetro se acusarán pequeñas
desviaciones de la aguja, lo que indica generación o presencia de una f.e.m. inducida.
Cada vez que se mueva el imán o la bobina ocurrirá lo mismo; terminado el movimiento
vuelve la aguja del instrumento a cero.
Fig. Principio de inducción electromagnética.
De esta experiencia se deduce que cuando un conductor corta líneas de fuerza se induce
en él una f.e.m.
Experimentalmente podemos comprobar que, aumenta la f.e.m. inducida si:
4
Galvanómetro: Instrumento para medir con precisión pequeñas corrientes, mediante el efecto electromagnético entre corriente e imán.
· El movimiento del imán o de la bobina se hace con más velocidad.
· El imán (flujo) se hace más fuerte.
Debe recordarse siempre el hecho que la corriente producida por inducción se opone a
los efectos que la origina, lo que se manifiesta en la práctica en todos los tipos de
máquinas eléctricas. Este principio se conoce como Ley de Lenz5 que dice: “La corriente
inducida por el movimiento de un conductor en un campo magnético tendrá un sentido tal
que se oponga al movimiento que originó dicha corriente.
.
6. inducida
Una regla útil para determinar la dirección de la f.e.m. inducida en el conductor.
Fig. Regla de la mano derecha.
7. Perdidas en materiales ferromagnéticos
·
Por Histéresis:
La histéresis se presenta al imantar una sustancia ferromagnética.
5
Heinrich Friedrich Lenz (1804 - 1865), físico alemán
La curva B-H corresponde a la imantación o magnetización de un material, siempre que
éste se encuentre inicialmente desimantado y la excitación magnética aumente de un
modo continuo desde cero.
Fig. Ciclo o lazo de Histéresis por magnetización de un material en ambos sentidos.
Este comportamiento del material, evidenciado por el hecho que la curva B-H no coincide
al disminuir H con la curva, cuando H aumenta, se denomina histéresis. El término
significa literalmente quedarse atrás. En muchas piezas de artefactos eléctricos,
específicamente en corriente alterna, el sentido de la corriente está cambiando
constantemente según sea la frecuencia; en este caso la excitación magnética aumenta
desde cero hasta un cierto valor máximo, vuelve a cero, aumenta nuevamente a un
máximo, pero en sentido contrario para volver a anularse.
Este ciclo se repite toda vez que se invierte el sentido de la imantación del material. Una
de las consecuencias del fenómeno de histéresis es la producción de calor en el interior
de una sustancia ferromagnética.
La imantación, desimantación y más todavía la imantación en sentido contrario producen
rozamientos en la estructura del material, que desprenden energías en forma de calor.
Las pérdidas de energía originadas por el fenómeno de histéresis se llaman pérdidas por
histéresis y dependen del tipo de material, mientras mejores son los materiales
ferromagnéticos menores son las pérdidas por histéresis.
·
Por Corrientes parásitas
Además de las pérdidas por histéresis en los materiales ferromagnéticos aparece otra
clase de pérdidas que se llaman pérdidas por corrientes parásitas o de Foulcauld6 .
Hemos dicho que cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético se
induce en él una f.e.m. (fenómeno que se conoce como inducción electromagnética) la
cual, cerrado el circuito, dará lugar a la circulación de una corriente proporcional a dicha
f.e.m. e inversamente proporcional a la resistencia del circuito.
Fig. b) masa magnética seccionada.
Si tenemos un núcleo de fierro dentro de un campo magnético y este núcleo se puede
mover, aparecen en él corrientes inducidas relativamente intensas y cuyo sentido se
muestra en la figura 15.
Si bien puede ocurrir que la f.e.m. Así un
cuerpo de fierro macizo al girar en un campo magnético engendra un fuerte momento de
giro antagónico, causa de nuevas pérdidas de energía que se conocen como pérdidas por
corrientes parásitas.
También estas pérdidas se transforman en calor dentro del fierro mismo, y es preciso
procurar que no superen cierto límite. Se disminuyen las pérdidas de energía impidiendo
el nacimiento de corrientes parásitas o por lo menos reduciéndolas, haciendo que el
circuito eléctrico que tiene lugar aumente su resistencia; así, en vez de tener un núcleo
macizo, se divide éste en chapas aisladas entre sí
Si se divide por ejemplo, en cuatro parte se consigue un debilitamiento de las corrientes
parásitas, porque la f.e.m.
En la práctica los núcleos se hacen de chapas muy delgadas de 0,3 a 0,5 mm de espesor
y se aíslan entre sí por capas de papel muy delgadas o por medio de barnices aislantes.
Las corrientes parásitas pueden circular entonces en el restringido espacio que le ofrece
6
Jean Bernard Foucauld (1819 - 1868), físico francés
Esto, que como veremos en las máquinas eléctricas constituye un inconveniente, tiene
aplicación práctica en aparatos de medida, como una forma de amortiguar ciertos
movimientos.
Las pérdidas por corrientes parásitas, como las pérdidas por histéresis, cobran especial
importancia en los circuitos alternos, donde la corriente y, por lo tanto el campo magnético
están variando constantemente.
8. Inducción mutua
La inducción mutua es otro de los fenómenos en los circuitos eléctricos y ocurre, como
el de autoinducción4, cuando hay variación de flujo causado por una variación de
corriente.
La existencia de este fenómeno se demuestra con el circuito de la figura 16; dos bobinas
muy próximas entre sí, forman circuitos totalmente independientes. La bobina A la
alimenta una fuente de c.c.
Fig. Efecto de inducción mutua.
Al cerrar el interruptor la bobina A un campo magnético que abarca B produciéndose
una variación de flujo que se hace sentir en B, por la proximidad en que esta última se
encuentra. que se manifiesta por la desviación
de la aguja en el instrumento. se llama inducción mutua.