Fundamentos del Magnetismo: Propiedades, Campos y Aplicaciones
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El Magnetismo
1. Propiedades de los Imanes
La capacidad de un imán para atraer cuerpos magnéticos no se distribuye uniformemente. Su fuerza máxima se concentra en los extremos, denominados polos norte y sur, mientras que en el centro la atracción es nula. Todo imán posee un polo norte y un polo sur, y si se divide en varios trozos, cada uno de ellos generará un nuevo par norte-sur.
2. Efectos de un Imán sobre Cuerpos No Imantados
Los imanes atraen materiales magnéticos como el hierro, cobalto, níquel y algunas de sus aleaciones. Las sustancias no magnéticas, como el cobre, la madera o los plásticos, no son afectadas por los imanes.
3. Imantación de un Cuerpo por Proximidad
Materiales como el hierro son atraídos por un imán al acercarse, pero pierden esta atracción al alejar el imán. Sin embargo, el acero, aunque con menor intensidad, conserva cierto magnetismo incluso después de retirar el imán.
4. Campo Magnético
El campo magnético de un imán es el espacio que rodea al imán donde se percibe su influencia. Se representa mediante líneas de fuerza, y el conjunto de estas líneas se denomina espectro magnético.
5. Líneas de Fuerza
Las líneas de fuerza se originan en el polo norte y se dirigen hacia el polo sur. En un espectro magnético, existen infinitas líneas de fuerza, y es importante recordar que el campo es tridimensional. La densidad de las líneas de fuerza es mayor en las zonas donde la atracción magnética es más intensa.
6. Intensidad de Campo
La intensidad de campo magnético se define como la densidad de líneas de fuerza por centímetro cuadrado (cm2) en un punto del campo. Es proporcional a la fuerza magnética en ese punto. La unidad de intensidad de campo es el Oersted (Oe), que equivale a una línea de fuerza por cm2.
7. Flujo Magnético
El flujo magnético es el número de líneas de fuerza que atraviesan hipotéticamente una superficie. Para una superficie perpendicular a las líneas de fuerza, el flujo magnético (Φ) se calcula como:
Si la superficie forma un ángulo (φ) con las líneas de fuerza, se debe multiplicar por el coseno de ese ángulo (cos φ).
8. Inducción Magnética
La inducción magnética (B) se refiere al comportamiento de las líneas de fuerza en el interior de un imán. Se define como el número de líneas de fuerza por cm2 que atraviesan un plano perpendicular al eje del imán. Es análoga a la densidad de corriente en los circuitos eléctricos y depende del material del circuito magnético. Su unidad es el Gauss (G). La fórmula es:
9. Campos Magnéticos de Corrientes Eléctricas
Alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica se genera un campo magnético. Las propiedades de los campos magnéticos generados por corrientes y por imanes son las mismas.
10. Campo Magnético de una Corriente Rectilínea
Existen varias reglas para determinar el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético generado por una corriente rectilínea:
- Regla de Ampere: Si imaginamos que la corriente entra por los pies de una persona y sale por su cabeza, y esta persona gira en sentido antihorario, ese será el sentido de las líneas de fuerza.
- Regla de la Mano Derecha: Si apuntamos con el pulgar de la mano derecha en la dirección de la corriente, el resto de los dedos indicarán el sentido de las líneas de fuerza.
- Regla del Sacacorchos: El sentido en el que se gira un sacacorchos para introducirlo es el mismo sentido en el que giran las líneas de fuerza.
11. Campo Magnético de una Bobina Circular
En una bobina plana formada por espiras de hilo, la intensidad del campo magnético en su interior (H) se calcula como:
H = (2·π·L·número de espiras) / (10·r)
Donde L es la corriente y r es el radio de la bobina. La intensidad del campo será mayor cuantas menos espiras tenga la bobina.
12. Campo Magnético de una Bobina Larga o Solenoide
Un solenoide se forma al enrollar espiras de hilo conductor aisladas alrededor de un tubo u otro material aislante. Al circular una corriente por el solenoide, este se comporta como un imán con sus respectivos polos. La polaridad se puede determinar utilizando la regla del sacacorchos.
13. Intensidad de Campo de un Solenoide
Cuando la longitud de un solenoide es al menos diez veces mayor que su diámetro, la intensidad del campo magnético en su interior (H) se puede calcular como:
H = (4·π·I·número de espiras) / (10·L)
Donde I es la corriente y L es la longitud del solenoide.
14. Generación de Corrientes Inducidas
El funcionamiento de generadores eléctricos y motores se basa en la inducción electromagnética. Es importante distinguir entre inducción electromagnética e inducción magnética. La inducción electromagnética se define como la generación de una fuerza electromotriz (FEM) inducida en un conductor cuando este experimenta una variación del flujo magnético. Por ejemplo, si una espira de un solo conductor gira entre los polos norte y sur de un imán, el número de líneas de fuerza que la atraviesan varía. Esta variación del flujo magnético induce una FEM y, por lo tanto, una corriente inducida. Las variaciones de flujo necesarias para generar corriente eléctrica pueden obtenerse de varias formas:
- Desplazamiento relativo entre inducido e inductor: Las bobinas experimentan una variación del flujo debido al movimiento.
- Variación de la intensidad de la corriente inductora: Se logra alimentando el solenoide con corriente alterna.
15. Fuerza Electromotriz Inducida
El valor de la fuerza electromotriz inducida (FEM) es proporcional a la variación del flujo magnético que experimenta cada espira e inversamente proporcional al tiempo que dura la variación. Si el inducido consta de varias espiras conectadas en serie formando bobinas, la FEM total será la suma de las FEM generadas en cada espira.
