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Un imán es un cuerpo con un magnetismo significativo,
de forma que atrae a otros imanes y/o metales ferromagnéticos (por
ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos). Puede ser natural o
artificial.
Los imanes
naturales mantienen su campo
magnético continuo, a menos que sufran un golpe de gran magnitud o
se les aplique cargas magnéticas opuestas o altas temperaturas.
Tipos de imanes
Los imanes pueden ser naturales o
artificiales, o bien, permanentes o temporales. Un imán natural es un mineral
con propiedades magnéticas (magnetita). Un imán artificial es un cuerpo de
material ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo. Un
imán permanente está fabricado en acero imantado. Un imán temporal, pierde sus
propiedades una vez que cesa la causa que provoca el magnetismo. Un electroimán
es una bobina (en el caso mínimo, una espiral) por la cual circula corriente
eléctrica.
1. Imanes naturales; la magnetita es
un potente imán natural, tiene la propiedad de atraer todas las sustancias
magnéticas. Su característica de atraer trozos de hierro es natural. Está
compuesta por óxido de hierro. Las sustancias magnéticas son aquellas que son
atraídas por la magnetita.
2. Imanes artificiales
permanentes; las sustancias magnéticas que al frotarlas con la magnetita, se
convierten en imanes, y conservan durante mucho tiempo su propiedad de
atracción.
3. Imanes artificiales
temporales; aquellos que producen un campo magnético sólo cuando circula por ellos
una corriente eléctrica. Un ejemplo es el electroimán.
Los imanes se utilizan de muy diversas formas: en discos duros, altavoces o parlantes, pegatinas (figuras que se adhieren a las neveras), brújulas, cierres para heladeras o
congeladores, paredes magnéticas, llaves codificadas, bandas magnéticas de tarjetas de crédito o débito, bocinas, motores, como un interruptor básico, como detector de billetes falsos, generadores, detectores de metales, para el cierre de mobiliario. Algunos de estos
aparatos pueden dañarse si se les aplica una cierta cantidad de magnetismo
opuesto.
Partes de un imán
·
Eje magnético: barra de la línea que une los dos polos.
·
Línea neutral: línea de la superficie de la barra que separa las
zonas polarizadas.
·
Polos: los dos extremos del imán donde las fuerzas de atracción
son más intensas. Estos polos son, el polo norte y el polo sur; (no deben
confundirse con positivo y negativo) los polos iguales se repelen y los
diferentes se atraen.
Polos magnéticos
Si se trata
tanto de un tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de atracción se halla
en sus extremos, llamados polos.
Un imán consta de dos polos, denominados polo
norte y polo sur. Los polos iguales se
repelen y los polos distintos se atraen. No existen polos aislados y, por lo tanto, si un imán se rompe en dos
partes, se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur,
aunque la fuerza de atracción del imán disminuye.
Entre ambos
polos se crean líneas
de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en
el interior del imán también van de un polo al otro. Como se muestra en la
figura, pueden ser visualizadas esparciendo limaduras de hierro sobre
una cartulina situada
encima de una barra imantada; golpeando suavemente la cartulina, las limaduras
se orientan en la dirección de las líneas de fuerza.
Imanes Electromagnéticos
Un electroimán es un tipo de imán en el
que el campo
magnético se produce mediante el flujo de una corriente
eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha
corriente. Los electroimanes generalmente consisten en un gran número de
espiras de alambre, muy próximas entre sí que crean el campo magnético.3 Las espiras de alambre a menudo se enrollan alrededor
de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético, como el hierro; el núcleo magnético concentra el flujo
magnético y hace un imán más potente.
La principal
ventaja de un electroimán sobre un imán
permanente, es que el campo magnético se puede cambiar
de forma rápida mediante el control de la cantidad de corriente eléctrica en el
devanado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente que no necesita de
alimentación, un electroimán requiere de una fuente de alimentación para
mantener los campos.
Los
electroimanes son ampliamente usados como componentes de otros dispositivos
eléctricos, como motores, generadores, relés, altavoces, discos duros, máquinas MRI ,
instrumentos científicos y equipos de separación
magnética. Los electroimanes también se emplean en la
industria para recoger y mover objetos pesados, como la chatarra de hierro y acero.
Funcionamiento
El material del núcleo del imán (generalmente hierro)
se compone de pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos que actúan como pequeños
imanes. Antes de que la corriente en el electroimán se activa, los dominios en
el núcleo de hierro están en direcciones al azar, por lo que sus campos
magnéticos pequeños se anulan entre sí, y el hierro aún no tiene un campo magnético
de gran escala. Cuando una corriente pasa a través del alambre envuelto
alrededor de la plancha, su campo magnético penetra en el hierro, y hace que
los dominios giren, alineándose en paralelo al campo magnético, por lo que sus
campos magnéticos diminutos se añaden al campo del alambre, creando un campo
magnético que se extiende en el espacio alrededor del imán. Cuanto mayor es la
corriente que pasa a través de la bobina de alambre, más dominios son
alineados, aumentando la intensidad del campo magnético. Finalmente, todos los
dominios estarán alineados, nuevos aumentos en la corriente sólo causan ligeros
aumentos en el campo magnético: este fenómeno se denomina saturación. Cuando la corriente en la bobina está desactivada, la mayoría de los
dominios pierden la alineación y vuelven a un estado aleatorio y así desaparece
el campo. Sin embargo en algunos la alineación persiste, ya que los dominios
tienen dificultades para perder su dirección de magnetización, dejando en el
núcleo un imán permanente débil. Este fenómeno, llamado remanencia, se debe a la histéresis del material. Aplicar una corriente alterna decreciente a la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por
encima de su punto de Curie reorientará los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o
desaparezca.
El tipo más simple de electroimán es un trozo de
alambre enrollado. Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma quelos extremos
coincidan se denomina toroide. Pueden
producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce o ferrita, aunque
también se utiliza el llamado acero eléctrico) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo
magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.
Los campos
magnéticos generados por bobinas se orientan según la regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a
la dirección del campo magnético B, el pulgar indica la dirección de la
corriente I. El lado del electroimán del que salen las líneas de campo se
define como «polo norte».
Además,
dentro de la bobina se crean corrientes inducidas cuando está sometida a un
flujo variable. Estas corrientes son llamadas corrientes de Foucault y en
general son indeseables, puesto que calientan el núcleo y provocan una pérdida
de potencia en forma de calor
Electromagnetismo
Los imanes
producen un campo magnético considerable pero para ciertas aplicaciones esta
resulta todavía muy débil, para conseguir campos todavía más intensos
utilizamos bobinas fabricadas con conductores eléctricos que al ser recorrido
por una corriente eléctrica, desarrollan campos magnéticos cuya intensidad
dependen fundamentalmente de la intensidad de la corriente y al número de
espiras de la bobina.
Campo
magnético pegado por un conductor cuando es atravesado por corriente eléctrica
Si nosotros
ponemos limadura de hierro sobre una hoja de papel que es atravesada por un
conductor por donde circula corriente eléctrica, se observa como los espectros
orientan a la limadura de hierro.
Esto demuestra
que cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica, a su
alrededor aparecen campos magnéticos. Observando el espectro del campo
magnético se puede apreciar que las líneas de fuerza toman las formas de
círculos concéntricos que se cierran a lo largo de todo el conductor. Si
situamos varias agujas imantadas alrededor del conductor podemos observar que
si orientación depende del sentido de la corriente. Para determinar el sentido
de la línea de fuerza de una forma más sencilla se aplica la regla maxwell o más conocido como la de saca
corcho que dice: el sentido de las líneas de fuerza, concéntricas al conductor es el que
indicara el giro de un saca corcho que avanza en el mismo sentido que la
corriente.
Campo magnético de un conductor en
forma de anillo
Un conductor recto produce un campo
magnético muy disperso y por lo tanto muy débil. La forma de conseguir que en
campo magnético sea más fuerte es disponiendo el conductor en forma de anillo.
El sentido de las líneas de fuerzas
de una parte de un conductor se suma a la del otro formando un campo magnético
mucho más intenso en el centro de la espira.
Campo magnético formado por una bobina
En una bobina el
campo magnético de cada espira se suma al de la siguiente, por lo que se
concentrara este en el centro de la misma. El campo resultante es uniforme en
el centro de la espira y mucho más intenso en el exterior en los extremos de la
bobina se forman los polos magnéticos.
El sentido de
avance del saca corcho nos indica el sentido de la línea de fuerza. Una vez
determinado este sentido es fácil determinar los polos de la bobina, el polo
norte estará situado en el extremo por donde salen las líneas de fuerza y el
sur por donde entran.
Clasificación
de los materiales
La clasificación
de los materiales como magnéticos, no magnéticos se basan en las propiedades
magnéticas del hierro. Sin embargo como los materiales débilmente magnéticos
pueden tener importancia en algunas aplicaciones. Las clasificaciones influyen
los siguientes tres grupos:
1: materiales
ferromagnético: estos incluyen al hierro, al acero, níquel, cobalto y otras
aleaciones. La ferrita son materiales no magnéticos y tienen las mismas
propiedades ferromagnéticas del hierro. Una aplicación común de la ferrita es
en trasformadores de radiofrecuencia y
en antenas de radio.
2: materiales
paramagnéticos en esto se incluye el aluminio, platino, magnesio y cromo donde
su permeabilidad relativa es ligeramente mayor a unidades (µr > 1).
3: materiales
diamagnéticos: en estos se encuentran los materiales más baratos cobre, zinc,
mercurio y plata. Su permeabilidad relativa es menor a la unidad (μr< 1).
Permeabilidad
La permeabilidad
se refiere a la capacidad que tiene un material de concentrar el flujo
magnético. Cualquier material que se magnetice fácilmente tiene una
permeabilidad elevada. La medida de la permeabilidad de los materiales con
referencia a la del aire o a la del vacío se llama permeabilidad relativa. El
símbolo de la permeabilidad relativa μr. La permeabilidad relativa
es adimensional porque es el cociente entre 2 permeabilidades
μr= μ
/ μ0
μr=
permeabilidad relativa del material magnético.
μ= permeabilidad
magnética del material.
μ0= permeabilidad
magnética del aire o del vacío.
Magnitudes
magnéticas
Al igual que para
definir el comportamiento de un circuito eléctrico utilizaremos las magnitudes
eléctricas, para definir los campos electromagnéticos utilizaremos las
magnitudes eléctricas.
Intensidad de campo
Se denomina intensidad de campo a la densidad de líneas
de fuerza por centímetro cuadrado, que hay en el campo magnético de un
imán o de una bobina; está en proporción a la acción del campo en cada punto.
La unidad de intensidad de campo es el
oerstedio, que equivale a una línea
de fuerza por centímetro cuadrado.
El símbolo de la intensidad de campo
es H. Por ejemplo, un campo de H = 16 oerstedios de intensidad es un
campo al que atraviesan 16 líneas de fuerza por centí metro cuadrado.
Flujo
magnético (Ø)
El campo
magnético se representa a través de las líneas de fuerza. La cantidad de estas
líneas es demasiado flujo magnético, su unidad weber.
Inducción
magnética (B)
La inducción
magnética se divide a la cantidad de líneas de fuerzas que atraviesan
perpendicularmente la unidad de superficie. En cierta forma nos indica lo densa
que son las líneas de fuerza o lo concentrada que están en una parte del campo
magnético.
Reluctancia(R)
La reluctancia de
un material nos indica si este deja establecer la líneas de fuerza en mayor o
menos grado. Los materiales no
ferromagnéticos, como el aire, poseen una reluctancia muy elevada. en cierta
forma la reluctancia es un concepto muy similar a de resistencia en un circuito
eléctrico.
Ley de ohm para los circuitos
magnéticos Esta expresión también se conoce como LEY DE HOPKINSON
El flujo que establece un circuito magnético es
proporcional a la fuerza magnetómetros proporcionada por la bobina e inversamente
proporcional a la reluctancia del radio por donde se establecen la líneas de
fuerza del campo magnético
Curva de Magnetización
SATURACION MAGNETICA: CUANDO SE SOMETE UNA SUSTANCIA A LA ACCION DE UN CAMPO
MAGNETICO CRECIENTE (H) la inducción magnética que aparece en ella también
aumenta en una relación determinada.
Por lo general esta relación (B-H)
no es contante, por lo que es de gran utilidad conocer la curva de
magnetización, que representa el valor de la inducción en función de la
intensidad de campo en cada material.
En la curva de a
representado la relación B-H de un hierro dulce. En ella se puede apreciar que
para valores de intensidad del campo ( tramo a-b), la inducción magnética crece
proporcionalmente hasta 1,2 tesla. A partir de este punto aparece un punto de
inflexión de la curva, y a los aumento a la intensidad del campo le corresponde
aumentos pequeñísimos de inducción magnética. A partir de ese punto a alcanzado
la saturación magnética.
Cuando nos
referimos a la inducción electromagnética estamos hablando de producción
eléctrica por acción magnética, es decir cuando se mueve un conductor eléctrico
en el seno de un campo magnético aparece una fuerza electromotriz que se
muestra con una tensión eléctrica en los extremos de dicho conductor
Histéresis
Magnética
Hemos mencionado
anteriormente más magnitudes designadas con las letras H–B que son
respectivamente la intensidad de campo y la inducción magnética, la primera
medida en Amper vueltas/m y la segunda en tesla. Para caracterizar un material
magnético, es útil representar una de esas magnitudes en función de la otra.
Podemos interpretar la
curva a partir del origen cuando no circula corriente por la bobina y el
material aún no adquirió inducción. Aumentamos la corriente y aumenta la
inducción. Pero llega un momento en que, aunque se aumente más la corriente, la
inducción no crece más; se dice entonces que el material se satura. Cuando la
corriente cambia de sentido, la inducción puede repetir los valores. En tal
caso, el material es bueno como un núcleo de un transformador.
En la práctica, el
camino de regreso es diferente del de ida y se dice que el material presenta
histéresis. La curva se llama lazos de histéresis. Los materiales que presentan
gran histéresis se calientan cuando se los usa como núcleos de transformadores.
Si se desea que el
material conserve su magnetización, conviene usar uno de gran histéresis, cuyo
lazo se aproxima mucho a un rectángulo. Estas características opuestas son
apropiadas para la fabricación de transformadores e imanes permanentes.
Experiencia de Faraday
Para realizar esta experiencia se necesita un
imán y una bobina conectado a un miliamperímetro. La bobina la suspendemos
entre los polos de imán de tal manera que se pueda mover y cortar las líneas en
el campo magnéticos.
Si movemos el conductor que corte
perpendicularmente líneas del campo se puede observar que la aguja del
miliamperímetro se desvía hacia un lado durante el movimiento.
Fuerza
magnética. Ley de Lorentz
Dado
que una carga eléctrica en movimiento induce un campo magnético, podemos
considerar a esta carga como un imán. Al igual que cuando aproximamos dos
imanes, comprobamos que entre ellos existe una fuerza (repulsión o atracción),
una carga eléctrica que se desplaza en las proximidades de un imán, también
experimentará este tipo de fuerzas.
El
valor de estas fuerzas depende del valor de la carga eléctrica en movimiento,
la intensidad del campo magnético y de la velocidad a la que se desplaza la
carga. Para determinar su valor, podemos aplicar la ley de Lorentz.
Fuerza
magnética sobre un conductor
Al igual que una
carga eléctrica que se desplaza en el ceno de un campo magnético experimenta
una fuerza magnética, un conductor eléctrico por el que circula carga eléctrica
es decir una corriente eléctrica en este caso el valor de la fuerza ejercida
sobre el conductor dependerá de la intensidad del campo magnético, la longitud
del conductor y el valor de la corriente que circule por un conductor:
Cuando la
corriente eléctrica por el conductor es vista, como carga positiva desplazando
hacia la derecha se comprueba que la fuerza magnética va hacia arriba aplicando
la regla de la mano derecha
la principal
aplicación práctica de este fenómeno la tenemos en los motores eléctricos. En
los motores en vez de tener conductores eléctricos aislados, los tenemos en
forma de espiras rectangulares. De esta forma se nos presenta un par de fuerza
que hace que la espira tienda a girar.
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