Magnetismo

Sus orígenes

La magnetita es un mineral ferromagnético, formado principalmente por óxido ferroso férrico.

Los fenómenos magnéticos fueron conocido s por primera vez por los antiguos griegos, a través de una mineral llamado magnetita (de ahí surge el término magnetismo).

Originariamente se pensó que la magnetita se podría utilizar para mantener la piel joven. De hecho, Cleopatra dormía con una magnetita en la frente para retrasar el proceso de envejecimiento. Esta reputación terapéutica de la magnetita se transmitió también a los griegos, los cuales la usaban para la curación de dolencias.

Aristóteles escribió acerca de las propiedades curativas de los imanes naturales, que llamaba "imanes blancos".

¿Para qué sirve un imán?

Un gran número de médicos y sanadores utilizaron los imanes para curar diferentes problemas médicos a lo largo de la historia. Hoy en día la ciencia médica utiliza el magnetismo más que nunca, por ejemplo:

La magnetoencefalografía (MEG) se utiliza para medir la actividad cerebral.

La terapia de choque para volver a iniciar corazones.

El uso de imanes en aplicaciones industriales y mecánicas también es muy común.

Los imanes son la fuerza motriz básica para todos los motores eléctricos y generadores eléctricos.

¿Qué es un imán?

Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo. Hay que destacar que estos pueden ser naturales o artificiales. El más común de los imanes naturales es un mineral llamado magnetita.

Los imanes pueden ser permanentes o temporales, según el material con el que se fabriquen y según la intensidad de campo magnético al que le sometan.

Imán artificial temporal (a) y permanente (b)

Partes de un imán: los polos magnéticos

Cualquier imán presenta dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza. Estas zonas están situadas en los extremos del imán y son los denominados polos magnéticos: Norte y Sur.

Detalle sobre las zonas de acción de mayor fuerza magnética

Efecto repulsión y atracción en un imán

Una de las propiedades fundamentales de la interacción entre imanes es que los polos iguales se repelen, mientras que los  polos opuestos se atraen.

El efecto de atracción y repulsión tiene que ver con las líneas de campo magnéticas. Las líneas de campo magnéticas exteriores suelen ir del polo Norte al polo Sur. Por lo tanto, cuando se acercan dos polos opuestos, estas líneas tienen a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Y según sea la distancia entre los dos imanes esta atracción será mayor o menor.

En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas líneas de campos no tienden a saltar de un polo a otro, si no que 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 de un imán al ser dividido en varias partes

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.

Si tenemos un imán supendido 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

LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y LA FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA

LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y LA FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA 

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático no uniforme. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (ley de Faraday).

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

En una pista de esquí,  los remontes mecánicos suben a los esquiadores hasta el alto de una colina, después, los esquiadores bajan deslizando pendiente abajo. Los esquiadores son equivalentes a los portadores de carga, el remonte mecánico incrementa la energía potencial del esquiador. Luego, el esquiador baja deslizándose por la colina hasta la base del remonte.

En un conductor los portadores de carga (positivos) se mueven espontáneamente desde un lugar en el que el potencial es más alto hacia otro lugar en el que el potencial es más bajo, es decir, en la dirección del campo eléctrico. Para mantener el estado estacionario es necesario proveer de un mecanismo que transporte los portadores de carga desde un potencial más bajo hasta un potencial más elevado.

El generador de Van de Graaff es un ejemplo de este mecanismo. Las cargas positivas se mueven en dirección contraria al campo eléctrico, en el que el potencial aumenta y las negativas en la misma dirección que el campo, en el que el potencial disminuye. La fuerza o la energía necesaria para este transporte de cargas lo realiza el motor que "bombea" las cargas.

Se denomina fuerza electromotriz o fem Vε al trabajo por unidad de carga que realiza el dispositivo. Aunque la unidad de la fem es la misma que la de una diferencia de potencial, se trata de conceptos completamente diferentes. Una fem produce una diferencia de potencial pero surge de fenómenos físicos cuya naturaleza no es necesariamente eléctrica (en el generador de Van de Graaff es mecánica, en una pila es de naturaleza química, en la varilla que estudiamos en esta página es magnética, etc. ).

Una fem es un trabajo por unidad de carga, este trabajo no lo realiza necesariamente una fuerza conservativa, mientras que la diferencia de potencial es el trabajo por unidad de carga realizado por una fuerza eléctrica que es conservativa.

ELECTROMAGNETISMO.
Conjunto de ideas y experimentos que relacionan la electricidad con el magnetismo y que en su conjunto forman la base de muchas aplicaciones de la sociedad moderna.
El electromagnetismo se inicia a partir de un descubrimiento hecho por casualidad por el físico danés HANS CHRISTIAN OERSTED en 1820,nace a partir de una situación fortuita en la que hace un descubrimiento por casualidad, el movimiento de la aguja de una brújula. Demostró  que una corriente eléctrica generaba un campo magnético alrededor de un alambre. 

Experimento de Hans Christian Oersted.
En 1820,hizo un descubrimiento muy importante acerca del magnetismo.
Al experimentar con corrientes eléctricas en los alambres,Oersted colocó uno de los alambres sobre una brújula pequeña. Observò que cada vez que hacìa pasar una corriente por el alambre,la aguja de la brújula se movía,demostrándose que había una relación estrecha entre la electricidad y el magnetismo.
Los estudios posteriores que realizó le permitieron demostrar que cuando una corriente eléctrica pasa a través de cualquier conductor,genera un campo magnético del mismo. 

Antecedentes del Magnetismo. 
Las primeras observaciones de fenómenos magnéticos fueron hechas por los antiguos griegos en una ciudad de Asia menor,denominada  Magnesia.Ellos conocían ya las propiedades de un material magnético natural llamado magnetita.
Algunas aplicaciones màs comunes de los imanes las encontramos en la brújula, el receptor telefónico y las bocinas.

Propiedades de los  imanes.
Cuando una barra imantada se introduce dentro de una caja que contiene limaduras de fierro,se observa que las partículas se adhieren a los extremos de la barra.A estas regiones de atracción se les llama polos magnéticos. 
Los polos magnéticos de un imán reciben las denominaciones de polo magnético norte y polo magnético sur. 
Se puede demostrar que los polos norte-sur de un imán son diferentes acercándolos a una brújula. Así podemos observar experimentalmente que polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. 


A las sustancias que pueden ser atraídas y pueden magnetizarse se les llama ferromagnéticas.

Al grupo de átomos alineados se les llama dominios magnéticos. 

El electroimàn. 
El fierro puro (hierro dulce) cuando se imana, se conserva su magnetismo pero se emplea para construir electroimanes. 
Bobina mas barra de fierro constituye un electroimàn. Los electro imanes tienen una gran variedad de aplicaciones en la ciencia y la tecnología.
Cuando la corriente de un electroimàn cesa, el poder de atracción del mismo también se detiene y entonteces el material férreo se desprende. 

El campo magnético de la Tierra. 
Se debe a Sr William Gilbert la observación de que la tierra es un gran imán. Para probar esta teoría,tallo una esfera de magnentita  y demostró que una pequeña brújula colocada en cualquier punto de esa esfera siempre apuntaba como lo hace la Tierra,hacia el polo norte. 
Por su polaridad el polo norte magnético es un polo sur y el polo sur magnético es un polo norte. Esto resulta evidente por las lineas de fuerza magnéticas las cuales siempre se inician en un polo norte y terminan en un polo sur. 
La Tierra es como un enorme imán rodeado por un campo magnético. 

  

LEY DE FARADAY.

El fenómeno de inducción electromagnética se puede resumir en un enunciado que se conoce como ley de Faraday. 

"El voltaje inducido en una bobina es directamente proporcional al numero de espiras y la razón de cambio del campo magnético dentro de dichas espiras" 

Se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde. 

Donde E es el campo eléctrico, dl es el elemento infinitesimal del contorno C, B es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de dA están dadas por la regla de la mano izquierda.La permutacion de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.

Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley:

Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.

En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en:

donde E es la fuerza electromotriz inducida y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección de la fuerza electromotriz (el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lanz.

LA SÍNTESIS DE MAXWELL

Desarrolló un conjunto de ecuaciones que se conocen como ecuaciones de Maxwell, en las cuales se sintetizan todos los conocimientos adquiridos acerca de los fenómenos electromagnéticos.
Encontró que no se requerían conductores para generar campos eléctricos o magnéticos, además, predijo que un campo magnético que se mueva en el espacio, genera un campo eléctrico que se mueve en el espacio, éste campo eléctrico genera a la vez un campo magnético que se mueve en el espacio también, y así sucesivamente. Los campos viajan a través del espacio a la velocidad de la luz en forma de onda.
Para producir una onda electromagnética se requiere de un campo magnético cambiante, la corriente en el alambre debe cambiar también constantemente. Esta variación en la rapidez de flujo significa que las partículas cargadas se están acelerando. Las partículas cargadas aceleradas producen ondas electromagnéticas que se mueven en el espacio. 
   Tuvo una inferencia importante, sí los electrones pueden vibrar en un alambre a una frecuencia constante, saldrá de la región del alambre una onda electromagnética de la misma frecuencia. Una onda magnética no necesita de un medio material para propagarse.
A partir de sus ecuaciones, fue la determinación del valor de la velocidad de propagación de una onda electromagnética. Sus cálculos demostraron que, en el vacío, esta onda se propaga a una velocidad de 300, 000 km/s.
La importancia de este resultado se debe a que este valor coincide con el de la velocidad de la luz en el vacío. 

El TRANSFORMADOR.

En muchas instalaciones eléctricas, e incluso en nuestras casas, muchas veces hay la necesidad de aumentar o disminuir el voltaje que proporciona la compañía que suministra la electricidad. El dispositivo que permite realizar esta operación se le denomina transformador eléctrico

Un transformador es un dispositivo que se emplea para aumentar o disminuir los voltajes de las corrientes alternas y es una aplicación de la inducción electromagnética.

Una de las ventajas de los transformadores es que cambian los voltajes con muy poca pérdida de energía y reducen al máximo las pérdidas de calor por efecto Joule.
Un transformador tiene dos bobinas, aisladas eléctricamente una de la otra y enrolladas alrededor de un núcleo de fierro: una es la bobina primaria otra la bobina secundaria. Cuando una bobina primaria se conecta una fuente de corriente alterna, el cambio en el flujo de corriente produce un campo magnético variable. El flujo magnético se transmite a la bobina secundaria a través del núcleo de fierro. El flujo variable induce una fem En la bobina secundaria.

La fem producida en la bobina secundaria, llamada voltaje secundario, es proporcional al voltaje primario y también depende del número de vueltas o espiras de ambas bobinas.

Voltaje secundario = número de vueltas en la bobina secundaria
Voltaje primario.         Número de vueltas en la bobina primaria.

Si el voltaje secundario es mayor que el primario, el transformador se llama transformador elevador o de incremento. Si el voltaje secundario es menos que el primario, el transformador se llama transformador reductor o de reducción.

LEY DE AMPÉRE

Poco después del descubrimiento de Oersted, se dedujo una expresión de la intensidad del campo magnético debido a la corriente que pasa por un alambre recto y largo. La intensidad del campo magnético a una distancia "r" de un alambre que conduce la corriente "I" es:

                 B=µ0 I/2r

Donde:

µ0= permeabilidad del vacío

B= campo magnético (T)

r= distancia (m)

I= corriente eléctrica

Este resultado muestra que la magnitud del campo magnético es proporcional a la corriente y disminuye con la distancia respecto al alambre. La ecuación anterior nos permite calcular el campo magnético debido a un alambre recto y largo que conduce una corriente.

Andre María Ampére propuso un procedimiento general para deducir este tipo deecuaciones, el cual proporciona una relación entre la corriente de un alambre de forma arbitraria y el campo magnético producido por el alambre.

EL MOTOR Y EL GENERADOR.

Los generadores y los motores se construyen de la misma forma, sin embargo tranaforman la energía en forma diferente.
El generador convierte la energía mecánica en eléctrica en cambio el motor es viceversa.
El generador hace girar mecánicamente la armadura a través de un campo magnético para inducir un voltaje y en el motor se aplica un voltaje a través de una armadura que se encuentra en un campo magnético este voltaje hace fluir la corriente Por la bobina y girar la armadura.

EL MOTOR:
Un motor de corriente directa o continua está constituido por una bobina suspendida entre los polos de un campo magnético, cuando una corriente eléctrica fluye por la bobina se genera un campo magnético y actúa como un imán, por lo tanto está empieza a rotar debido a la fuerza que existe entre los dos campos magnéticos. El el motor eléctrico un iman permanente produce un campo magnético en una región donde está una espira rectangular de alambre que se monta para que gira respecto al eje de la línea interrumpida.

Los motores mayores de CD o cc se fabrican reemplazando el imán permanente por un electroimán que energiza la fuente de electricidad se emplea más de una espira se devanan muchas vueltas de alambre sobre un núcleo de fierro Ese Conjunto se llama armadura; gira cuando el alambre conduce corriente.

EL GENERADOR:
Está constituido por un inductor hecho a base de imanes permanentes que producen un campo magnético y por un inducido qué consta de un núcleo de fierro al cual se le enrolla un alambre conductor aislado previamente.

Funciona básicamente como una espiral que gira dentro de un campo magnético en los extremos de la espira. Existen dos anillos colectores que se deslizan sobre los contactos que conectan la espira a un circuito externo el cual puede ser un amperímetro, mientras la espira está en rotación es posible tener una variación del flujo magnético a través de ella. Esto se debe a que la variación continua de la espira respecto al campo magnético. De esta manera un fem inducida en dicha espira generando así una corriente que indicará el amperímetro.

EL CAMPO MAGNÉTICO

En el espacio que rodea las cargas eléctricas existe un campo eléctrico. De manera análoga en la región que rodea un imán existe un campo magnético. Así, todo imán está rodeado por un espacio en el cuál se manifiestan sus efectos magnéticos, a dichas regiones se llaman campos magnéticos. Las líneas de campo magnético, llamadas líneas de fuerza o flujo magnéticas son imaginarias y no existen en realidad, son convenientes para describir diferentes fenómenos magnéticos.

-Intensidad Magnética

La intensidad magnética de un electroimán es mayor a la de un imán permanentemente porque tiene un mayor número de líneas de introducción magnética por unidad de área. Las líneas del polo Norte salen y las del polo Sur entran.

-Flujo Magnético

El número de líneas magnéticas que pasa por un área determinada se llama flujo magnético y se representa por la letra griega "fi".
La unidad de flujo magnético en el sistema MKS, es el wéber que se define cualitativamente, cómo el número de líneas magnéticas que pasan por una superficie de 1m².
En el sistema CGS, la unidad de flujo magnético es el maxwell que se define cualitativamente, cómo el número de líneas magnéticas que pasan sobre una superficie de 1cm²

-Densidad de Flujo Magnético

Un flujo magnético que atraviesa perpendicularmente una unidad de área, recibe el nombre de densidad de flujo magnético o inducción magnética. En una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente a la unidad de área.
Cuando el flujo magnético no penetra perpendicularmente un área, sino que lo hace con un cierto ángulo, tiene una expresión para calcularla. Por lo tanto la densidad de flujo magnético es un vector que representa la intensidad, dirección y sentido del campo magnético en un punto.

BLOQUE TEMÁTICO 2: INTRODUCCIÓN.

Una vez revisados los temas del primer bloque temático, pasaremos a estudiar los fenómenos relacionados con el magnetismo.

Se da un panorama general de los fenómenos magnéticos, las propiedades de los imanes, los tipos de materiales magnéticos y el campo magnético terrestre. Encontraras la definición de campo magnético, flujo magnético así como la inducción magnética. 

Encontraras las leyes del electromagnetismo, una aportada por Michael Farady otra por lenz y de manera breve la ley de Ampere. 

Por ultimo se describen los dispositivos que marcaron una fuerte influencia en el desarrollo de la civilización actual como son el motor, el generador y el transformador. 

Bloque temático 2. ELECTROMAGNETISMO.

-Magnetismo: es un fenómeno natural por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.


-Campo magnético :es una región del espacio donde existen fuerzas magnéticas. 

-Ley de Ampere: explica que la circulación de la intensidad del campo magnético en un contorno cerrado es proporcional a la corriente que recorre en ese contorno.


-Electromagnetismo: rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría


-Inducción electromagnética y la fuerza electromotriz inducida: es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático no uniforme.


-Ley de Faraday: enuncia que el voltaje inducido en un circuito cerrado resulta directamente proporcional a la velocidad con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una dada superficie con el circuito haciendo de borde.

-Ley de Lenz: relaciona cambios producidos en el campo eléctrico por un conductor con la propiedad de variar el flujo magnético, y afirma que las tensiones o voltajes aplicadas a un conductor, generan una F.E.M. (fuerza electro motriz) que se opone al paso de la corriente que la produce.

-El motor y el generador: Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor. 

-El transformador: dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico. 

-La síntesis de Maxwell: es el trabajo mas notable en el campo del electromagnetismo. 

LEY DE LENZ

El físico ruso Heinrich Lenz (1804-1865) formuló una ley sobre la inducción electromagnética la cual se enuncia como:

"Siempre que se induce una fem , la corriente inducida tiene un sentido tal que tiende a ponerse a la causa que lo produce"

De acuerdo con la ley de lenz el sentido de la corriente inducida es contrario al de la corriente requerida para provocar el movimiento del campo magnético que la ha creado

Se conoce que dicha ley es una consecuencia más del principio de conservación de la energía aplicando a la energía del campo electromagnético.