Principios del Magnetismo y Electromagnetismo: Campos, Materiales y Fenómenos Clave

Magnetismo: Fundamento Esencial de las Máquinas Eléctricas

Las máquinas eléctricas funcionan gracias al magnetismo y al electromagnetismo. Gracias a las propiedades de determinados materiales, ya sean naturales o artificiales, es posible atraer y repeler distintos cuerpos. De esta forma, podemos aprovechar este fenómeno para la transformación de energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Estos materiales con propiedades magnéticas se denominan imanes. Existen diversos tipos, entre los que se incluyen:

• Imanes permanentes
• Imanes temporales
• Imanes naturales
• Imanes artificiales

Conceptos Clave del Campo Magnético

Definición y Representación del Campo Magnético

El campo magnético es la región del espacio donde se perciben las fuerzas magnéticas ejercidas por los imanes. Por convención, su sentido se establece desde el polo norte hacia el polo sur. Los campos magnéticos se representan gráficamente mediante líneas de fuerza: cuando estas líneas se oponen (tienen sentidos contrarios), indican repulsión; cuando concurren (tienen el mismo sentido o van en la misma dirección), indican atracción o la suma de sus efectos.

Flujo Magnético (Φ)

El flujo magnético, representado por la letra griega fi (Φ), es el número total de líneas de fuerza que atraviesan una superficie determinada dentro de un campo magnético. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el weber (Wb).

Comportamiento Magnético de los Materiales

Tipos de Materiales para Circuitos Magnéticos

Los materiales reaccionan de diversas maneras ante los campos magnéticos. A continuación, se describen los principales tipos:

Materiales Diamagnéticos

Los materiales diamagnéticos no poseen un campo magnético propio significativo. Sin embargo, al ser sometidos a un campo magnético externo, se induce en ellos un campo magnético muy débil que se orienta en sentido contrario a las líneas de fuerza del campo inductor.

Materiales Paramagnéticos

Los materiales paramagnéticos sí disponen de momentos magnéticos atómicos que están desordenados en ausencia de un campo externo. Cuando se les aplica un campo magnético externo, estos momentos tienden a alinearse ligeramente en la dirección y sentido de las líneas de fuerza del campo principal, reforzándolo débilmente.

Materiales Ferromagnéticos

En los materiales ferromagnéticos, los momentos magnéticos de sus átomos tienden a alinearse fuertemente y de forma paralela, incluso en dominios macroscópicos. Cuando se exponen a un campo magnético externo, estos dominios se alinean con las líneas de fuerza del campo, resultando en una magnetización intensa. El hierro (Fe) es el material ferromagnético por excelencia, ampliamente utilizado en la industria.

Fenómenos Electromagnéticos Esenciales

Histéresis Magnética y Remanencia

La histéresis magnética es un fenómeno característico de los materiales ferromagnéticos. Cuando un material de este tipo es sometido a los efectos de un campo magnético variable, su magnetización no solo depende de la intensidad del campo actual, sino también de su historia magnética previa. Incluso cuando el campo magnetizante externo cesa, el material puede seguir presentando un cierto grado de imantación. A esta magnetización residual se le denomina remanencia magnética, que es la capacidad del material de conservar los efectos de la magnetización una vez ha finalizado la acción que los generó.

Corrientes Parásitas o de Foucault

Las corrientes parásitas, también conocidas como corrientes de Foucault, son corrientes eléctricas inducidas que se generan y circulan dentro de un núcleo conductor (generalmente ferromagnético) cuando este se encuentra sometido a un flujo magnético variable en el tiempo. Estas corrientes generan calor debido al efecto Joule, lo que se traduce en pérdidas de energía en el sistema. Para reducir estas pérdidas, los núcleos de las máquinas eléctricas y transformadores se construyen laminados, es decir, con finas capas de material ferromagnético (como chapas de hierro al silicio) aisladas eléctricamente entre sí. Esta construcción dificulta la circulación de las corrientes parásitas, disminuyendo considerablemente las pérdidas de energía asociadas.

Autoinducción

La autoinducción es un fenómeno electromagnético que ocurre cuando una bobina es recorrida por una corriente eléctrica variable. Al variar la corriente, el flujo magnético que ella misma genera a través de sus propias espiras también varía. Este cambio en el flujo magnético induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) en la propia bobina, que se opone a la variación de la corriente original (de acuerdo con la Ley de Lenz). Así, en cada una de sus espiras aparece un campo magnético que afecta a las espiras contiguas, generando esta f.e.m. autoinducida y, si el circuito está cerrado, una corriente eléctrica inducida.

Creación de Campos Magnéticos

Campo Magnético Producido por una Bobina

Si se desea conseguir un campo magnético de mayor intensidad y más concentrado, se pueden agrupar varias espiras de conductor formando una bobina (también conocida como solenoide). Al circular corriente eléctrica por la bobina, los campos magnéticos generados por cada espira individual se suman vectorialmente, resultando en un campo magnético total más intenso, especialmente en el interior de la bobina.

Campo Magnético Alrededor de un Conductor Rectilíneo

Cuando un conductor rectilíneo es atravesado por una corriente eléctrica, se genera un campo magnético a su alrededor. Las líneas de fuerza de este campo magnético son circulares, concéntricas con el conductor y están contenidas en planos perpendiculares al mismo. La dirección de estas líneas se puede determinar mediante la regla de la mano derecha.