Magnetismo y electromagnetismo: fundamentos y aplicaciones

Las máquinas eléctricas y su funcionamiento

Las máquinas eléctricas basan su funcionamiento en los fenómenos del magnetismo y del electromagnetismo. Se denomina magnetismo a la propiedad que tienen determinados materiales, en estado natural o artificial, para atraer el hierro. Esta propiedad puede ser aprovechada para la transformación de energía eléctrica. A los elementos que tienen esa propiedad de atracción se les denomina imanes.

• Imanes permanentes

  Son aquellos en los que los efectos de imanación se mantienen de forma continuada. Pueden estar magnetizados de forma natural o artificial.

• Imanes temporales

  Son aquellos que mantienen el magnetismo solamente mientras se produce un fenómeno físico de magnetización sobre ellos.

• Imanes naturales

  Son de origen mineral y poseen de forma natural esa propiedad de atracción. Pueden ser cerámicos o de tierras raras. Los de tipo cerámico están formados por bases de óxido de hierro, de estroncio o de bario. Los de tierras raras están compuestos por elementos como el neodimio y el samario.

• Imanes artificiales

  En ellos, el campo magnético se genera mediante un estímulo externo, como puede ser el acercamiento de otro imán o el paso de una corriente eléctrica próxima al metal a magnetizar. Dependiendo del tipo de material, la magnetización puede hacerse de forma permanente o temporal.

Si se acercan polos de signo contrario, estos se atraen, y si se acercan dos polos de diferente signo, hay repulsión entre los imanes. Las fuerzas magnéticas se perciben de un imán o de un elemento magnetizado, del polo norte al polo sur.

-Cuando se unen dos polos del mismo signo, las líneas se enfrentan y, por tanto, se repelen.

-Por el contrario, si se unen dos polos de diferente signo, las líneas de fuerza se suman y los imanes se atraen.

Flujo magnético es el número total de líneas de fuerza que forman un campo magnético, representado con la letra fi y su unidad es el weber (Wb).

Inducción magnética y campo magnético en conductores

Inducción magnética es la cantidad de líneas de fuerza que traspasa una unidad de superficie. También conocida como densidad de flujo magnético, se representa con la letra B (beta) y su unidad es el tesla (T). La relación entre el flujo y la inducción magnética es la siguiente: fi = B x S. S representa la superficie que atraviesan las líneas de campo y se mide en metros cuadrados.

Se denomina electromagnetismo a aquella parte de la electrotecnia que estudia en conjunto los fenómenos eléctricos y magnéticos.

Campo magnético en un conductor: Cuando un conductor rectilíneo es atravesado por una corriente eléctrica, a su alrededor se crea un campo magnético cuyas líneas de fuerza son circulares y concéntricas al conductor. Se puede aplicar la denominada regla de la mano derecha. Según dicha regla, el pulgar define el sentido de la corriente eléctrica, y el cierre de los dedos sobre el conductor muestra el sentido del campo magnético.

Campo magnético en una espira: En una espira es fácil saber el sentido del campo magnético utilizando la regla de la mano derecha.

Campo magnético en una bobina: Para conseguir un campo magnético superior, se pueden unir en serie varias de estas espiras y así sumar sus campos parciales. Esto se consigue realizando con el conductor una bobina o solenoide.

Intensidad de campo magnético: Esta magnitud indica la fuerza de un campo magnético, se representa con la H, y su unidad es el amperio-vuelta/metro (Av/m). H = NxI / L.

Fuerza magnetomotriz: Es la fuerza que permite mantener el campo magnético en un circuito electromagnético, se representa con la F y se mide en Amperio-vueltas (Av). F = NxI. H = F/L.

Circuito magnético: Un circuito magnético simple es el denominado electroimán, que consiste en un núcleo de hierro y en una bobina que se alimenta con una fuente de tensión. En un circuito con núcleo magnético, para el cálculo de la intensidad de campo (H), L no es la longitud del hilo que forma la bobina, sino que es el perímetro central de su núcleo.

Materiales para circuitos magnéticos

Los materiales utilizados para los núcleos de circuitos magnéticos pueden ser de diferentes tipos; sin embargo, no todos tienen un comportamiento similar ante el campo magnético que generan o ante el que están expuestos. A estos átomos se les denomina espines y tienen una orientación magnética propia.

• Diamagnéticos

  En este tipo, los espines no disponen de un campo magnético. Sin embargo, si se les aplica un campo magnético externo, estos se orientan en sentido contrario a las líneas de fuerza del campo inductor.

• Paramagnéticos

  En este tipo, los espines sí disponen de su propio campo magnético. Así, cuando se les aplica un campo externo, algunos de ellos tienden a orientarse ligeramente en la misma dirección.

• Ferromagnéticos

  Son aquellos en los cuales los átomos alinean el campo magnético por completo con las líneas de fuerza del campo externo. Este tipo de material se utiliza para la fabricación de circuitos magnéticos en máquinas eléctricas, ya que para valores elevados aumenta considerablemente la magnetización.

El material que no es ferromagnético se considera amagnético, como la denominada chapa de grano orientado.

Reluctancia magnética y curva de magnetización

Reluctancia magnética: A la reluctancia magnética se le compara con la resistencia eléctrica. El flujo magnético es directamente proporcional a la fuerza magnetomotriz e inversamente proporcional a la reluctancia.

Curva de magnetización de un material: Si a un circuito magnético se le conecta una fuente de tensión a través de una resistencia variable o reóstato, se puede regular la intensidad de corriente que circula por él. La intensidad del campo H variará en función de dicha corriente.

El sentido de las líneas de fuerza del campo principal.

Permeabilidad magnética y corrientes parásitas

Permeabilidad magnética: En magnetismo, la relación entre la densidad del flujo magnético, B (en unidades de teslas), y la intensidad del campo magnético, H (en unidades de amperios/metro), generalmente en unidades de H/m. μ = B / H.

Corrientes parásitas o Foucalt: Cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa, el movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida, dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado.