MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

El magnetismo forma parte importante en la generación de la energía eléctrica, en la producción de trabajo mecánico mediante la acción de los motores eléctricos, para elevar o reducir el voltaje cuando se transporta energía eléctrica de un lugar a otro por medio de los transformadores eléctricos, en la operación de la mayor parte de los instrumentos de medición y en muchas aplicaciones comerciales e industriales.

Teoría electrónica del magnetismo

Debido a que el electrón tiene una carga negativa y se encuentra en movimiento dentro del átomo, esto hace que produzca un campo magnético en círculos concéntricos alrededor del electrón; por lo tanto, los electrones tienen tanto propiedades eléctricas como magnéticas, de ahí que los átomos y moléculas se consideren como pequeños imanes.
En los materiales ferromagnéticos existen regiones llamadas dominios magnéticos. Un dominio está formado por un conjunto de átomos cuyas fuerzas magnéticas están todas en la misma dirección, todas son negativas o positivas. Estos dominios (regiones) se comportan como pequeños imanes en forma de barra.

Materiales magnéticos

Los materiales ferromagnéticos en circunstancias normales, sus dominios magnéticos están dispersos y orientados al azar (en diferentes direcciones), de manera que los campos magnéticos de los dominios se anulan mutuamente, considerándose entonces que el material está desmagnetizado.
Si todos los dominios estuvieran dispuestos de manera tal que apuntaran en la misma dirección, los campos de fuerza magnética se sumarían. El metal entonces se consideraría magnetizado. Si absolutamente todos los dominios estuvieran alineados, se produciría un campo magnético intenso. Pero si sólo algunos dominios estuvieran alineados, se produciría un campo magnético débil. Así pues, un material ferromagnético puede ser imantado cuando sus dominios magnéticos son obligados a alinearse en un determinado sentido, mediante la aplicación de una fuerza magnética. Esto se puede hacer de dos maneras:
1) Por frotamiento magnético. Cuando se frota con un imán una pieza de hierro desimantada, las líneas magnéticas del imán hacen que los dominios magnéticos de la pieza se alinien de modo que sus líneas magnéticas coincidan con las del imán.
2) Por medio de una corriente eléctrica. Cuando se coloca un trozo de hierro desmagnetizado dentro de una bobina por la que se hace pasar una corriente directa, ya sea de una batería o un generador de c.d., la corriente eléctrica produce un campo magnético que magnetiza al hierro.

Imanes temporales y permanentes

Un imán temporal es aquel material ferromagnético que presenta todas las propiedades de un imán, únicamente mientras está presente la fuerza de magnetización y cuando se retira o cesa la acción de magnetización, el material vuelve a su estado original perdiendo sus propiedades magnéticas. Los materiales más comunes son el hierro dulce y acero suave. La forma de uso es como electroimán.
Un imán permanente es aquel material ferromagnético que retiene sus propiedades magnéticas, por muchos años, después de haber sido magnetizado. Los materiales más usados son aceros templados, aleaciones de níquel y hierro.
Para desmagnetizar un imán los dominios o moléculas deben quedar en desorden de manera que sus campos magnéticos se anulen; esto se logra de varias maneras:
a) Al golpear fuertemente al imán la fuerza de la sacudida o vibración hará que los dominios magnéticos queden orientados en diferentes direcciones.
b) Al calentar al imán hasta un valor moderadamente alto, la energía calorífica hace que se rompan violentamente las alienaciones de los dominios de extremo a extremo del material.
c) Una forma segura de reducir o eliminar el magnetismo de cualquier pieza imantada, es mediante un campo magnético alterno, al colocar el imán dentro de un solenoide alimentado con corriente alterna, los dominios magnéticos pierden su orden al tratar de seguir las variaciones del campo magnético alterno.

Campo magnético y líneas de fuerza magnéticas

Campo magnético es la región o espacio exterior del imán hasta donde llega un efecto apreciable de la acción de las líneas de fuerza magnética.
El campo magnético de un imán está formado por líneas de fuerza magnéticas o líneas de flujo magnético que se extienden en el espacio partiendo del polo norte del imán y dirigiéndose al polo sur, para continuar dentro del imán del polo sur al polo norte. Los polos del imán son los puntos de donde las líneas de fuerza están más concentradas, es decir la fuerza magnética es mayor. Estos puntos están localizados en los extremos del imán.
Algunas propiedades magnéticas más importantes de las líneas de fuerza, son las siguientes:
1. Polos distintos se atraen, polos iguales se repelen uno al otro.
2. Las líneas de fuerza magnéticas forman siempre trayectorias cerradas.
3. Las líneas de fuerza magnéticas no se cruzan entre sí.
4. Pueden pasar a través de todos los materiales, madera, vidrio, plástico, etc.
5. Se comportan como hilos de goma, es decir son elásticas.
6. Cuanto más cerca estén las líneas magnéticas y sea mayor el número de ellas, más intenso será el campo magnético.
7. Las líneas magnéticas tienden a seguir la trayectoria por donde encuentran menos oposición, esto es a través de los materiales ferromagnéticos, aún cuando su trayectoria resulta más larga. Debido a ésta característica, los materiales ferromagnéticos, son útiles como blindaje para proteger ciertos aparatos u objetos del efecto de líneas magnéticas, encerrándolos en dichos materiales para desviar la trayectoria de las líneas magnéticas.



Campo magnético creado por una bobina

El electromagnetismo estudia la relación que existe entre la electricidad y el magnetismo.
Siempre que circule una corriente eléctrica por un conductor, se producirá un campo magnético alrededor del mismo. Las líneas de fuerza magnéticas se cierran sobre sí mismas, formando círculos magnéticos alrededor del conductor y por ello se llaman círculos de fuerza magnética. Estos círculos tienen sus centros en el eje del conductor y sus planos son perpendiculares al mismo.
Un conductor eléctrico arrollado con varias espiras o vueltas forma una bobina. Un solenoide o electroimán es una bobina de muchas vueltas, en las que al hacer circular una corriente directa a través de ellas, se produce un campo magnético mayor que el que rodea a un conductor.
La magnitud del campo magnético de un electroimán o solenoide, depende de los siguientes factores:
a) Del número de espiras. A mayor número de espiras será mayor el campo magnético, ya que se suman los campos magnéticos de cada espira, debido a que las líneas de flujo tienen la misma dirección.
b) De la separación de las espiras. Si la bobina se comprime ligeramente, los campos magnéticos se juntarán aún más para formar un solo flujo magnético, si se colocan separadas, las líneas de flujo de cada espira no se pueden juntar unas a otras.
c) Del tipo de núcleo. Si en lugar del aire, se coloca un núcleo de hierro dulce, se hace más intenso el campo magnético. Esto se debe a que el hierro proporciona una trayectoria más fácil a las líneas de fuerza magnéticas y éstas líneas magnéticas orientan a los dominios magnéticos propios del hierro, creando así líneas de flujo en el núcleo, mismas que se suman a las líneas de flujo de la bobina.
d) Del área o sección transversal. Si el núcleo del solenoide tiene una sección transversal grande, creará más líneas de flujo que las que crea un núcleo de área reducida.
e) De la cantidad de corriente. La forma más fácil de incrementar el campo magnético del electroimán, es mediante el aumento de corriente, ya que esto hace que se incremente el magnetismo en el conductor, y por lo tanto en cada espira y en el electroimán.

Las líneas de flujo de un electroimán o solenoide actúan de la misma forma que un imán de barra, salen del polo norte y dan la vuelta para entrar al polo sur. Para determinar la polaridad de un solenoide se usa la regla de la mano izquierda, la cual consiste en lo siguiente: los dedos de la mano izquierda se cierran sobre las espiras del solenoide apuntando en la dirección que circula la corriente, y el dedo pulgar señalará hacia el polo norte.



GENERADOR ELÉCTRICO

Siempre que un conductor se mueva dentro de un campo magnético, las líneas de fuerza magnética actúan sobre los átomos del conductor, provocando que liberen electrones de sus órbitas externas, dando lugar a un flujo de corriente, desarrollándose o induciéndose al mismo tiempo un voltaje en las terminales del conductor. También, si en lugar de que el conductor se mueva dentro de un campo magnético, lo que se mueve es el campo a lo largo del conductor, se induce un voltaje.
Cuando el movimiento del conductor es paralelo a las líneas de fuerza magnéticas no hay voltaje inducido ya que no se “cortan” las líneas. En cambio, cuando el conductor se mueve en un plano perpendicular a las líneas magnéticas, y pasa por el centro de un polo magnético, el voltaje tendrá su valor máximo. Para que exista un voltaje inducido, debe haber un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético, es decir, las líneas de fuerza magnéticas deben ser “cortadas” por el conductor.
Un generador es toda máquina que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. En toda central eléctrica, en el generador o alternador es donde se produce la energía eléctrica, obteniéndose un voltaje aproximado de 10,000 volts en las terminales de dicho generador, con una cierta capacidad para entregar corriente a un circuito (pudiendo ser valores superiores a 1,000 amperes).
Un generador produce energía eléctrica al aplicarle una fuerza mecánica que haga girar a un grupo de bobinas dentro de un campo magnético estacionario, o por la rotación de los polos magnéticos de un electroimán para que las líneas magnéticas atraviesen o corten a las espiras de las bobinas de inducido que están fijas en la parte interior de la cubierta del generador, generando así un voltaje en las terminales de las bobinas. Lo que se requiere es que haya un movimiento relativo entre el campo magnético y las bobinas de inducido. Los 3 elementos básicos de todo generador, son: una fuerza mecánica, un grupo de bobinas y un campo magnético.
El valor del voltaje que genera un alternador, depende de los siguientes 4 factores:
1) De la intensidad del campo magnético. Cuanto más intenso sea el campo magnético, será mayor el número de líneas de flujo que se cortan.
2) Del número de espiras de la bobina. Al tener un número alto de espiras en cada bobina, el voltaje total inducido es igual a la suma de cada uno de los voltajes inducidos en cada espira.
3) De la velocidad de giro de la bobina o de los polos magnéticos. A mayor velocidad se cortará un mayor número de espiras en un tiempo determinado.
4) De la posición que tenga la bobina con respecto a las líneas del campo magnético. A medida que gire la bobina, cambia su posición con respecto a la dirección de las líneas magnéticas, produciendo un voltaje con valores diferentes en cada instante, y al pasar frente a polos distintos ocasiona que la corriente que se produce cambie de dirección, o sea, el voltaje inducido cambia de polaridad, generándose así, un voltaje alterno.