Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita
o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto,
el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el
nombre de magnetismo.
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Los imanes:
Un imán es un material capaz de producir
un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al
cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma
permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4)
o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes
metales. Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva
el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no
conserva su magnetismo tras haber sido imantado.
En un imán la capacidad de atracción es mayor
en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que
tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un
gigantesco imán natural.
La región del espacio donde se pone de
manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se
representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias,
cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido
contrario en el interior de éste; se representa con la letra B.
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Desde hace tiempo es conocido que una corriente
eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la
materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los
electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un
microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados
en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no
presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean
actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado.
Imantar un material es ordenar sus imanes
atómicos.
En la figura derecha se observa en primer lugar
un material sin imantar y debajo un material imantado.
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El magnetismo es producido por imanes naturales
o artificiales. Además de su capacidad de atraer metales, tienen la
propiedad de polaridad. Los imanes tienen dos polos magnéticos diferentes
llamados Norte o Sur. Si enfrentamos los polos Sur de dos imanes estos
se repelen, y si enfrentamos el polo sur de uno, con el polo norte
de otro se atraen. Otra particularidad es que si los imanes se
parten por la mitad, cada una de las partes tendrá los dos polos.
Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de
hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de
hierro.
La atracción o repulsión entre dos polos
magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre
ellos.
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Campo magnético:
Se denomina campo magnético a la región del
espacio en la que se manifiesta la acción de un imán.
Un campo magnético se representa mediante líneas
de campo.
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Un imán atrae pequeños trozos de limadura de
hierro, níquel y cobalto, o sustancias compuestas a partir de estos metales
(ferromagnéticos).
La imantación se transmite a distancia y por
contacto directo. La región del espacio que rodea a un imán y en la que se
manifiesta las fuerzas magnéticas se llama campo magnético.
Las líneas del campo magnético revelan
la forma del campo. Las líneas de campo magnético emergen de un polo,
rodean el imán y penetran por el otro polo.
Fuera del imán, el campo esta dirigido del polo
norte al polo sur. La intensidad del campo es mayor donde están
mas juntas las líneas (la intensidad es máxima en los polos).
El magnetismo esta muy relacionado con la electricidad.
Una carga eléctrica esta rodeada de un campo eléctrico, y si se esta
moviendo, también de un campo magnético. Esto se debe a las “distorsiones”
que sufre el campo eléctrico al moverse la partícula.
El campo eléctrico es una consecuencia
relativista del campo magnético. El movimiento de la carga produce un campo
magnético.
En un imán de barra común, que al parecer esta
inmóvil, esta compuesto de átomos cuyos electrones se encuentran en
movimiento (girando sobre su orbita. Esta carga en movimiento constituye
una minúscula corriente que produce un campo magnético. Todos los
electrones en rotación son imanes diminutos.
UNA
CARGA EN MOVIMIENTO PRODUCE UN CAMPO MAGNÉTICO
La brújula:
La brújula señala al norte magnético de
la tierra, que no coincide con el norte geográfico, ya que
conoce había explicado antes los polos opuestos se atraen y los similares
se repelen, en el norte geográfico de la tierra se encuentra el polo sur
magnéticamente hablando por lo que su opuesto (el norte en este caso)
apunta lo contrario en una brújula
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El experimento de Oersted:
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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 deflectaba 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.
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Del experimento de Oersted se deduce que ;
- Una carga en movimiento crea un campo magnético en el
espacio que lo rodea.
- Una corriente eléctrica que circula por un conductor
genera a su alrededor un campo magnético cuya intensidad
depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia
del conductor.
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Campo magnético creado por un conductor
rectilíneo:
Una corriente rectilínea crea a su alrededor un
campo magnético cuya intensidad se incrementa al aumentar la intensidad de
la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la distancia con respecto al
conductor.
En 1820 el físico danés Hans Christian
Oersted descubrió que entre el magnetismo y las cargas de la corriente
eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación.
Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o
electrones que se encuentran en movimiento en esos momentos, originan la
aparición de un campo magnético tal a su alrededor, que puede desviar la
aguja de una brújula.
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Campo magnético creado por
una espira:
El campo magnético creado por una espira por la
que circula corriente eléctrica aumenta al incrementar la intensidad de la
corriente eléctrica
Campo magnético creado por un
solenoide:
El campo magnético creado por un solenoide se
incrementa al elevar la intensidad de la corriente, al aumentar el número
de espiras y al introducir un trozo de hierro en el interior de la bobina
(electroimán).
Bobina solenoide con núcleo de aire
construida con alambre desnudo de cobre enrollado en forma de espiral y
protegido con barniz aislante. Si a esta bobina le suministramos
corriente eléctrica empleando cualquier fuente de fuerza electromotriz,
como una batería, por ejemplo, el flujo de la corriente que circulará a
través de la bobina propiciará la aparición de un campo magnético de
cierta intensidad a su alrededor.
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Bobina solenoide a la que se le ha
introducido un núcleo metálico como el hierro (Fe). Si comparamos la
bobina anterior con núcleo de aire con la bobina de esta ilustración, veremos
que ahora las líneas de fuerza magnética se encuentran mucho más
intensificadas al haberse convertido en un electroimán.
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En 1831, Michael Faraday observó que un imán
generaba una corriente eléctrica en las proximidades de una bobina, siempre
que el imán o la bobina estuvieran en movimiento. La explicación teórica
fue:
- Es necesario un campo magnético variable (imán, bobina o cable
en movimiento) para crear una corriente eléctrica en el cable o en la
bobina.
- Esta corriente se conoce como corriente inducida, y el
fenómeno, como inducción electromagnética. La corriente eléctrica
inducida existe mientras dure la variación del campo magnético.
- La intensidad de la corriente eléctrica es tanto mayor cuanto
más intenso sea el campo magnético y cuanto más rápido se muevan el
imán o la bobina.
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Condición para inducir una corriente
eléctrica:
La corriente eléctrica inducida existe
mientras dure esta variación, y su intensidad es tanto mayor cuanto más
rápida sea dicha variación.
Una corriente eléctrica crea a su alrededor
un campo magnético, y un campo magnético variable inducido, a su vez, una
corriente eléctrica en un circuito.
El sentido de la corriente inducida (Ley de
Lenz):
La corriente inducida tiende a oponerse a al
causa que la produce.
El circuito de la figura consta de una
barra conductora (1-2) que desliza sobre dos conductores rectilíneos.
El circuito queda cerrado a través de una resistencia señalada como R y
lo acciona un interruptor.
Se encuentra inmerso en
un campo magnético B el cual es perpendicular al plano definido por el
circuito y dirigido hacia en interior de su pantalla.
Si ponemos en movimiento
la varilla con una velocidad v como se indica, en las cargas que
existen en la varilla se producirán fuerzas (Lorentz).
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4.
Aplicación de las corrientes inducidas
La inducción electromagnética es el
fundamento del alternador y la dinamo, dispositivos que generan corriente,
así como de los transformadores y motores eléctricos, que convierten la
energía eléctrica en mecánica (movimiento).
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El alternador y la dinamo.
Un alternador está formado por un imán
fijo a una bobina capaz de girar entre los polos del imán. El alternador
produce corriente alterna.
Elementos de un alternador simple
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Un alternador consta de dos partes
fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético
y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las
líneas de fuerza de dicho campo
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Un rectificador transforma la corriente
alterna en corriente continua, es decir, rectifica la corriente alterna.
Para más
información sobre rectificadores pincha aquí
Una dinamo consta de un imán que gira en
el interior de un núcleo de hierro dulce, que tiene arrollada una bobina.
Una dinamo produce corriente continua.
Dinamo de disco de Faraday
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Faraday mostró que otra forma de inducir la
corriente era moviendo el conductor eléctrico mientras la fuente
magnética permanecía estacionaria. Este fue el principio de la dinamo de
disco, que presentaba un disco conductor girando dentro de un campo
magnético (ver el dibujo) movido mediante una correa y una polea en la
izquierda. El circuito eléctrico se completaba con hilos estacionarios
que tocan el disco en su borde y en su eje, como se muestra en la parte
derecha del dibujo. No era un diseño muy práctico de la dinamo (a menos
que buscásemos generar enormes corrientes a muy bajo voltaje), pero en el
universo a gran escala, la mayoría de las corrientes son producidas,
aparentemente, mediante movimientos semejantes.
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Para más información sobre dinamos pincha aquí.
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El transformador.
Un transformador consta de dos
arrollamientos de cable sobre un núcleo de hierro dulce y se utiliza para
modificar la tensión de la corriente alterna.
Esquema
de un transformador
Para más información sobre transformadores
pincha aquí.
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El motor eléctrico.
Un motor eléctrico es un aparato que
transforma energía eléctrica en energía mecánica.
Existen diferentes tipos de motores, pero de
entre todos tal vez sean los llamados “motores de corriente continua” los
que permiten ver de un modo más simple cómo obtener movimiento gracias al
campo magnético creado por una corriente.
El gráfico muestra de modo esquemático las partes principales de un motor
de corriente continua.
Esquema
de un motor eléctrico.
El elemento situado en el centro es la parte del motor que genera el
movimiento. Se la llama armadura o rotor, y consiste en un electroimán que
puede girar libremente entorno a un eje. Dicho rotor está rodeado por un
imán permanente, cuyo campo magnético permanece fijo.
El electroimán recibe la corriente a través del contacto establecido entre
las escobillas y el conmutador. Las escobillas permanecen fijas, mientras
que el conmutador puede girar libremente entre ellas siguiendo el
movimiento del rotor.
Cuando la corriente pasa a lo largo del electroimán, sus polos son atraídos
y repelidos por los polos del imán fijo, de modo que el rotor se moverá
hasta que el polo norte del electroimán quede mirando al polo sur del imán
permanente. Pero tan pronto como los polos del rotor quedan “mirando” a los
polos del imán, se produce un cambio en el sentido de la corriente que pasa
por el rotor. Este cambio es debido a que el conmutador, al girar, modifica
los contactos con las escobillas e intercambia el modo en que el
electroimán recibe la corriente de la pila.
Al modificarse el signo de los polos del electroimán, los polos del rotor
resultarán repelidos por los polos del imán fijo, pues en esta nueva
situación estarán enfrentados polos de igual signo, con lo cual el rotor se
ve obligado a seguir girando. Nuevamente, cuando los polos del electroimán
estén alineados con los polos opuestos del imán fijo, el contacto entre
escobillas y conmutador modificará el sentido de la corriente, con lo cual
el rotor será forzado a seguir girando.
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