Principios Fundamentales del Magnetismo y la Inducción Electromagnética
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Orientación Magnética y la Brújula
Un imán tiende a orientarse de modo que las líneas de fuerza entren por su polo sur y salgan por su polo norte. La brújula señala al norte geográfico porque su aguja (que es un pequeño imán) apunta hacia el polo sur magnético de la Tierra. Esto significa que el polo norte de la aguja de la brújula es atraído por el polo sur magnético terrestre, demostrando que los polos opuestos se atraen.
Flujo Magnético
Se da el nombre de flujo magnético (Φ) al número total de líneas de fuerza que atraviesan una superficie determinada dentro de un circuito magnético. Sus unidades son:
- Sistema CGS (cegesimal): 1 Maxwell (Mx) = 1 Gauss (G) × 1 cm²
- Sistema Internacional (SI): 1 Weber (Wb) = 1 Tesla (T) × 1 m²
Campo Magnético de un Conductor Rectilíneo
Un conductor rectilíneo recorrido por una corriente eléctrica (I) crea un campo magnético a su alrededor cuyas líneas de fuerza son círculos concéntricos, con centro en el conductor. El sentido de las líneas de fuerza viene dado por la ley del sacacorchos o regla de la mano derecha: si el pulgar apunta en el sentido de la intensidad (I), los dedos al curvarse indican el sentido de las líneas de fuerza. La magnitud del campo magnético (H o B, dependiendo del contexto) a una distancia R del conductor se relaciona con la intensidad mediante leyes como la de Ampère (aproximación para un hilo largo: B = (μ₀ / 2π) * (I / R)).
Magnetismo Remanente
El magnetismo remanente es aquel magnetismo que conserva un material magnético después de haber sido expuesto a un campo magnético externo (por ejemplo, al estar en contacto con un imán). Cuando se retira el campo externo, si los dominios magnéticos del material vuelven a desorientarse aleatoriamente, decimos que es un material ferromagnético blando. Si, por el contrario, mantiene gran parte de su orientación magnética y conserva sus propiedades magnéticas, decimos que es un material ferromagnético duro.
Fuerzas sobre una Espira y Principio del Motor Eléctrico
En una espira rectangular situada en un campo magnético uniforme, si circula una intensidad de corriente, los lados paralelos al campo no experimentan fuerza neta, mientras que los otros dos lados sí. Como la corriente tiene sentidos opuestos en estos dos lados, aplicando la regla de la mano izquierda (o de Fleming) a cada uno, se obtienen fuerzas iguales pero de sentido contrario. Estas fuerzas crean un par de giro que hace rotar la espira. En un motor eléctrico, se utilizan múltiples espiras (aisladas entre sí y montadas sobre un núcleo que forma el rotor) para generar un par de giro continuo que da movimiento al eje de salida del motor.
Relaciones Direccionales en Electromagnetismo
La dirección de la fuerza magnética sobre un conductor con corriente o sobre una carga en movimiento depende de la dirección del campo magnético y de la dirección de la corriente o velocidad. Estas relaciones se describen mediante reglas mnemotécnicas:
- Regla de la mano izquierda (Fuerza sobre conductor): Si el índice apunta en la dirección del campo magnético (N a S) y el corazón en la dirección de la corriente, el pulgar indica la dirección de la fuerza.
- Regla de la mano derecha (Campo generado por corriente): Si el pulgar apunta en la dirección de la corriente, los dedos indican el sentido de las líneas de campo magnético circular.
- Regla de la mano derecha (FEM inducida): Si el pulgar indica la dirección del movimiento del conductor, el índice la dirección del campo magnético, el corazón indica el sentido de la corriente inducida (y por tanto, la polaridad de la FEM).
Ejemplo: Si las líneas de fuerza van de norte a sur (hacia la derecha) y la intensidad de corriente va hacia el observador, la fuerza magnética será hacia abajo.
Inducción Electromagnética y Ley de Lenz
Al acercar un imán a una bobina, las líneas de fuerza del imán atraviesan las espiras de la bobina. Esto provoca un aumento del flujo magnético a través de la bobina. Mientras dura este cambio en el flujo, se induce una fuerza electromotriz (FEM) inducida en la bobina, lo que se detecta por el desvío de la aguja de un galvanómetro conectado a ella. Cuando el imán se detiene, el flujo magnético deja de variar y la FEM inducida desaparece (la aguja vuelve a cero). Al alejar el imán, el flujo magnético en la bobina disminuye; se observa entonces que la aguja del galvanómetro se desvía en sentido contrario, indicando que la fuerza electromotriz inducida ahora tiene polaridad opuesta. La magnitud de la fuerza electromotriz inducida es mayor si:
- Es mayor la potencia del imán (campo magnético más intenso).
- Es mayor el número de espiras en la bobina.
- Es mayor la velocidad con la que se acerca o aleja el imán (cambio de flujo más rápido).
Para saber el sentido de la corriente inducida (y la polaridad de la FEM), se aplica la Ley de Lenz, que establece que los efectos de la inducción (la corriente y el campo magnético inducidos) se oponen siempre a la causa que los produce (la variación del flujo magnético). Por ejemplo, al acercar el polo norte de un imán, la FEM inducida en la bobina crea una corriente que genera un campo magnético propio con un polo norte enfrentado al del imán, repeliéndolo. Usando la regla de la mano derecha para bobinas, se puede determinar el sentido de la corriente inducida.
FEM Inducida en Conductor Móvil Oblicuo
Cuando un conductor se mueve oblicuamente respecto a las líneas de fuerza de un campo magnético, su velocidad (v) se puede descomponer en dos componentes perpendiculares entre sí: una perpendicular a las líneas de fuerza (v⊥) y otra paralela a ellas (v∥).
- La componente vertical (o perpendicular, v⊥) es la que efectivamente 'corta' las líneas de fuerza y produce la fuerza electromotriz (FEM) inducida en el conductor (FEM = B * L * v⊥).
- La componente horizontal (o paralela, v∥) se mueve a lo largo de las líneas de fuerza y no contribuye a la inducción de fuerza electromotriz.
En el caso de un conductor giratorio en un campo magnético uniforme (como en un generador simple), su velocidad tangencial está cambiando continuamente de dirección.
- En las posiciones donde el movimiento es perpendicular a las líneas de fuerza (por ejemplo, posiciones superior e inferior del giro, equivalentes a 2 y 6 en un diagrama circular), la componente v⊥ es máxima, y la fuerza electromotriz inducida también es máxima.
- En las posiciones donde el movimiento es paralelo a las líneas de fuerza (por ejemplo, posiciones horizontales, equivalentes a 0, 4 y 8), la componente v⊥ es nula, el conductor no corta líneas de fuerza y la fuerza electromotriz inducida es nula. Esto da lugar a una FEM alterna sinusoidal.