Principios y Aplicaciones del Electromagnetismo: Solenoides, Inducción y Medición de Corriente

Medición de Corriente y Campo Magnético

Pistola de Corriente (Medidor de Efecto Hall)

Las mordazas de la pistola rodean el hilo conductor sin tocarlo. El campo magnético ($B$) generado por la corriente del hilo se mide con un dispositivo de efecto Hall montado dentro de la pistola.

Funcionamiento:

• Consiste en una lámina de metal (anchura $w$) por la que se hace pasar una pequeña corriente interna (velocidad de deriva $v_d$ de los electrones conocida).
• Bajo el campo $B$ creado por la intensidad $I$ del hilo, se mide la tensión Hall inducida ($V_h$).
• La relación es: $V_h = v_d \cdot B \cdot w$.
• Conociendo $B$, se puede determinar la intensidad $I$ de la corriente que circula por el hilo.

Balanza de Corriente

Este dispositivo permite medir la intensidad $I$ de una corriente. Se basa en la interacción magnética entre conductores paralelos.

Mecanismo:

• Se utiliza un hilo colocado de forma que hay dos tramos con intensidades paralelas (distancia pequeña) pero contrarias, lo que provoca que se repelan con una fuerza $F_{12}$.
• El tramo superior está libre para girar alrededor de los bordes en forma de cuchilla.
• La medición de la fuerza de repulsión $F_{12}$ se realiza midiendo el ángulo del rayo láser reflejado (o colocando pesos sobre el conductor para conseguir el equilibrio en la separación original).
• A partir de $F_{12}$ se calcula la intensidad $I$ y el valor del campo $B$.

Aplicaciones Tecnológicas de los Solenoides

Los solenoides son bobinas que, al ser atravesadas por una corriente eléctrica, generan un campo magnético intenso y homogéneo en su interior. Sus aplicaciones incluyen:

• Válvulas e Interruptores

  Utilizados en circuitos eléctricos. Históricamente eran mecánicos, pero han sido sustituidos por dispositivos eléctricos que son más fiables.

• Arranque del Motor de Coche

  El solenoide, con un núcleo central, crea un campo $B$ intenso y homogéneo en el núcleo (en el exterior $B \approx 0$). Al pasar corriente continua (DC), el campo $B$ atrae una pieza de hierro, encajando las marchas que conectan el motor de arranque con las transmisiones de las ruedas. Si se corta la corriente, un muelle desencaja las marchas.

• Timbre de Puerta

  Al cerrar el interruptor, pasa corriente alterna (AC) por el solenoide exterior, que se convierte en un imán con campo $B$. Este atrae la pieza móvil de hierro, que choca reiteradamente con la campana del timbre.

• Altavoz

  Consiste en un cono de membrana unido a un imán móvil situado en una bobina. La corriente AC en la bobina hace que el imán entre y salga, provocando que el cono vibre y emita ondas sonoras.

• Aceleradores de Partículas (CERN, etc.)

  Se utilizan solenoides superconductores que generan campos magnéticos extremadamente altos ($B \approx 50\,T$) con intensidades de corriente elevadas ($I \approx 10000\,A$), enfriados a 4,2 K. El campo $B$ de los solenoides hace girar a las partículas por el túnel sin que choquen con las paredes.

Fundamentos y Aplicaciones de la Inducción Electromagnética

La inducción magnética se basa en la Ley de Faraday, donde un campo magnético variable induce una fuerza electromotriz (fem) en un conductor.

• Cocina de Inducción

  Una corriente alterna (AC) pasa por una bobina que actúa como "quemador" (la bobina no se calienta). Esta corriente AC genera un campo $B$ variable que atraviesa el fondo de la sartén. Este campo induce una corriente en el fondo de la sartén que ofrece resistencia ($R$). La energía eléctrica se transforma en energía térmica, calentando el recipiente y su contenido. Un contenedor de vidrio, al tener una resistencia enorme, induce poca corriente y transfiere poca energía. El chocolate sobre el quemador, al tener $R \approx 0$, no se derrite.

• Micrófono

  Su funcionamiento es inverso al del altavoz. La membrana vibra con el sonido y mueve una pequeña bobina que está inmersa en el campo $B$ de un imán, induciendo en la bobina una fuerza electromotriz (fem) AC que se lleva a un amplificador o altavoz.

• Grabación y Lectura de Discos Magnéticos

  Cabeza de Grabado

  Una señal AC de audio/video induce un campo $B$ en un electroimán que imanta una pequeña franja del disco. Cada microimán grabado representa un bit (0 o 1).

  Lectura del Disco

  Las franjas del disco en movimiento, con distintas imanaciones, cambian el campo $B$ del cabezal lector, induciendo una fem AC.

• Lector de Tarjetas

  Lee la banda magnética de las tarjetas mediante inducción.

• Sismógrafo

  La bobina fija se mueve con la caja del aparato, pero el imán suspendido tiene inercia. El movimiento relativo del imán induce una fem en la bobina, registrando la vibración.

• Interruptor de Circuito de Falla a Tierra

  Proporciona protección a los aparatos frente a picos de corriente AC, detectando desequilibrios en el flujo magnético.

• Estabilizador de Velocidad de Crucero

  Al seleccionar la velocidad de crucero, dos imanes en el eje de giro de las ruedas generan pulsos en una espira. Estos pulsos son leídos por un microprocesador, que calcula la velocidad de giro de las ruedas y, por ende, la velocidad del coche. El microprocesador compara esta velocidad con la seleccionada y envía una señal al mecanismo servocontrol para ajustar la cantidad de gasolina suministrada al motor.

• Reproducción de Sonido en Guitarra Eléctrica

  Varias espiras (pastillas) se colocan bajo las cuerdas, cada una sensible a diferentes armónicos producidos por la vibración. El campo $B$ del imán penetra en las cuerdas metálicas, imanándolas con polos Norte y Sur. Al vibrar las cuerdas, cambia el flujo magnético que pasa por la espira, induciendo una fem que oscila con la frecuencia de la cuerda. Esta corriente inducida se amplifica.