Electromagnetismo Esencial: Principios, Dispositivos y Propiedades Magnéticas

Dispositivos Electromagnéticos Fundamentales

El electromagnetismo es la base de numerosos dispositivos que transforman la energía. A continuación, se describen algunos de los más importantes:

a) Motor Eléctrico

• Función: Convierte energía eléctrica en mecánica.
• Fenómeno clave: La Fuerza de Lorentz.
• Principio: Una corriente que circula por un conductor, inmerso en un campo magnético, experimenta una fuerza que genera el giro del rotor.

b) Dínamo

• Función: Convierte energía mecánica en eléctrica.
• Fenómeno clave: La Inducción electromagnética (Ley de Faraday).
• Principio: Al girar un conductor dentro de un campo magnético, se induce una corriente eléctrica.

c) Electroimán

• Función: Convierte energía eléctrica en un campo magnético.
• Fenómeno clave: La Ley de Ampère.
• Principio: Una corriente que pasa por una bobina genera un campo magnético, el cual se intensifica significativamente al añadir un núcleo de hierro.

Conceptos Clave de Magnetización y Leyes Fundamentales

Magnetización (M)

La magnetización (M) es el momento magnético por unidad de volumen. En ausencia de campo magnético, los momentos magnéticos de los átomos están orientados al azar, lo que resulta en una magnetización neta nula. Sin embargo, un campo externo B alinea parcialmente estos dipolos, generando así magnetización. Típicamente, un material se magnetiza al colocarlo en el interior de una bobina por la que se hace pasar corriente.

El campo magnético total (B) se debe a la corriente libre más la corriente ligada (esta última no es directamente medible). Para simplificar, se define un campo auxiliar H:

H = (1/μ₀) * B - M

La mayoría de los materiales paramagnéticos presentan un comportamiento lineal, donde:

M = χm * H

Y, consecuentemente:

B = μ₀(1 + χm) * H = μ * H

La permeabilidad magnética absoluta se define como μ = μ₀(1 + χm). La permeabilidad relativa es μr = μ / μ₀ = 1 + χm.

Limitaciones de la Ley de Ampère Clásica

La Ley de Ampère en su forma clásica no es válida en todas las situaciones, especialmente cuando existen campos eléctricos variables en el tiempo. Funciona correctamente en situaciones estáticas, donde las corrientes son constantes, pero falla porque no considera la corriente de desplazamiento. Por esta razón, Maxwell la corrigió añadiendo un término extra, resultando en la forma generalizada:

∮B⋅dl = μ₀(I + ε₀ * dΦ_E/dt)

Naturaleza Conservativa del Campo Eléctrico

El campo eléctrico es conservativo solo si es electrostático (producido por cargas en reposo), ya que el trabajo realizado no depende del camino y se puede definir un potencial escalar. Sin embargo, no es conservativo si es inducido por un campo magnético variable (según la Ley de Faraday), puesto que el trabajo en un circuito cerrado no es cero.

Clasificación de Materiales Magnéticos

Los materiales se clasifican según su respuesta a un campo magnético externo:

1. Paramagnetismo

   • Su magnetización es débil y temporal.
   • Los átomos o iones poseen momentos magnéticos individuales, pero no interactúan fuertemente entre sí.
   • Cuando se aplica un campo magnético externo, se alinean débilmente en su dirección; sin embargo, esta alineación desaparece al retirar el campo, perdiendo su magnetización.
   • El espín de los electrones contribuye más que el momento orbital.
   • La magnetización es proporcional al campo aplicado: M = χm * H y B = μ₀(1 + χm) * H = μ * H.
   • Ejemplos: aluminio, platino, sodio.

2. Diamagnetismo

   • Aparece en átomos con espín total cero (electrones emparejados).
   • La magnetización inducida es contraria al campo aplicado, lo que implica una susceptibilidad magnética negativa.
   • Es un efecto débil y universal, pero domina si no hay paramagnetismo ni ferromagnetismo.
   • Ejemplos: oro, plata, cobre, agua.

3. Ferromagnetismo

   • Presente en metales como hierro, cobalto y níquel.
   • Sus electrones desapareados interaccionan fuertemente y se alinean, formando dominios magnéticos.
   • No se requiere un campo externo para que el material esté magnetizado de forma permanente.
   • Su comportamiento se caracteriza por el ciclo de histéresis.

Temperatura de Curie

Cuando un material ferromagnético supera una temperatura crítica, conocida como temperatura de Curie, pierde su orden magnético y se comporta como un material paramagnético. Este cambio es similar a la transición del hielo al estado líquido: una transformación de fase.

Aplicaciones según la Dureza Magnética

• Materiales duros: Aconsejables para la fabricación de imanes permanentes.
• Materiales blandos: Ideales para núcleos de transformadores y aplicaciones donde se requiere una magnetización y desmagnetización rápida.