Magnetostática
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CBTis 75 Especialidad Mecánica Industrial Materia Física III Trabajo Magnetostática 5° F/G 15 de Noviembre de 2000 • Magnetostática • Magnetismo • Concepto Serie de fenómenos físicos que incluye la atracción que sobre el hierro y otros metales ejercen el imán y los electroimanes; estos fenómenos, que se consideran estrechamente relacionados con la electricidad, se caracterizan por la creación de un campo de fuerza (campo magnético) alrededor del cuerpo magnetizado, cuya intensidad disminuye en razón de la distancia; todo cuerpo que entra en un campo magnético toma una imantación que depende de su naturaleza, y que generalmente pierde al retirarse de ese campo; algunos aceros conservan parte del magnetismo inducido (magnetismo remanente); hay cuerpos paramagnéticos o que son atraídos por los imanes (hierro, níquel, cobalto, etc.), y cuerpos diamagnéticos, que son repelidos por ellos. El magnetismo es la propiedad que tienen determinadas sustancias de atraer especialmente algunos minerales como el hierro, cobalto y níquel. Magnetismo, uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética. La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia. Fenómenos Magnéticos Elementales Probablemente todos hemos tenido algún contacto con el magnetismo, aunque sea superficial; quizás esto incluya un imán de herradura de juguete que se sabe es capaz de atraer clavitos de acero y limaduras de hierro, pero no a algo hecho de latón. Tal vez también se sabe que un imán en forma de barra, suspendido horizontalmente de una cuerda, gira orientándose por sí mismo en dirección norte−sur. Estas observaciones se hicieron en la antigüedad, suspendiendo trozos alargados de magnetita, un mineral comúnmente llamado 1 piedra imán, inventándose así la brújula supuestamente por los chinos hace miles de años. Aquí, como en nuestro estudio de la electrostática, el problema consiste en responder cuál es la naturaleza de estos fenómenos. Debe también hacerse notar que los extremos opuestos de una barra imán actúan como si tuvieran imantaciones opuestas. Debido al aspecto direccional se emplean los términos norte y sur en lugar de positivo o negativo para designar los dos extremos nortes de dos imanes diferentes se repelen entre sí, pero que un extremo norte atrae al extremo sur de otro imán, de modo semejante a como las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen. Explicación del Magnetismo Estos fenómenos surgieron a los primeros físicos que el magnetismo, como la electricidad, era de naturaleza corpuscular, con pequeñas unidades de magnetismo análogas a las unidades de carga eléctrica: estas unidades se llamaron polos magnéticos norte y sur, más bien que positivo o negativo en vista de la asociación de los fenómenos magnéticos con los polos norte y sur geográficos. Una ley de atracción y repulsión entre estos polos magnéticos fue también descubierta por Coulomb: los polos del mismo nombre se rechazan y los de nombre contrario se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de las intensidades de los polos e inversamente proporcional al cuadrado de su separación, justamente como en el caso eléctrico semejante. La unidad de polo magnético se definió también de modo semejante al empleado para definir la unidad de carga eléctrica. Sin embargo, actualmente no se le da un significado especial a dicha unidad de polo, no sólo porque esta unidad natural de magnetismo nunca se ha descubierto, sino porque es posible explicar los fenómenos magnéticos en función de cargas eléctricas en movimiento, haciendo innecesario el concepto de polo. Por otra parte, el concepto de polo persiste en la terminología magnética y aún se usa a menudo en discusiones elementales de los fenómenos magnéticos. Desde el descubrimiento, en 1819, por el físico danés Oersted, que una brújula se desvía cuando se coloca cerca de un alambre que lleve corriente, el concepto de polo se ha vuelto cada vez más anticuado. Líneas Magnéticas de Fuerza Las líneas curvas que van del polo norte al polo sur. Si la región que rodea una barra de imán se explora con una brujulita, se encuentra que su extremo norte siempre apunta alejándose del polo norte y acercándose al polo sur en cada punto alrededor del imán. Así se sugieren líneas imaginarias que indican la dirección en que un polo magnético norte seguiría si estuviera libre de moverse en esa región. Estas líneas se llaman líneas de fuerza. Estas líneas salen del polo norte y entran al sur de la barra imán y proporcionan una manera de visualizar la dirección de las líneas magnéticas donde éstas existan. Naturaleza del Magnetismo Cada molécula de hierro es un imán con sus dos polos, norte y sur. Estos imanes moleculares están desordenadamente distribuidos al azar en todas direcciones y neutralizan sus polos, sin que sus propiedades magnéticas se muestren al exterior. Pero mediante la corriente eléctrica se pueden orientar todos o parte de estos imanes moleculares con sus polos sur hacia el contrario, en cuyo caso el hierro adquiere propiedades magnéticas; y su mayor o menor magnetismo depende del número de imanes moleculares orientados, no pudiendo crecer ya más cuando todos están orientados. Ferromagnetismo Son ferromagnéticas las sustancias cuyo coeficiente de permeabilidad magnética aumenta extraordinariamente con el campo inductor. 2 Las sustancias ferromagnéticas son: el hierro, níquel y cobalto, además de aleaciones: ALNICO (aluminio, níquel, cobalto y cobre), permalloy (níquel, hierro). Las sustancias ferromagnéticas, se emplean en la fabricación de electroimanes, dínamos, pantallas magnéticas y la industria electrónica. Espectro Magnético Es el conjunto de líneas curvas de fuerzas que atraviesan la superficie, colocadas en el campo magnético. Magnetismo Inducido Se produce a distancia sin contacto con el imán. Si tocamos limaduras de hierro con un clavo, no las atrae, porque no es un imán. Pero manteniendo un imán cerca del clavo que las atrae, la sola presencia de un imán ha inducido al clavo a transformarse en un imán, el imán se llama inductor y el clavo inducido. Uno de los más interesantes de los diversos fenómenos magnéticos es la inducción magnética. Cuando una varilla de hierro desimantado se coloca cerca de una barra imán, se inducen en la primera polos magnéticos, es decir, la varilla se imanta por inducción con su extremo próximo adquiriendo un polo de nombre opuesto al del polo inductor y con el extremo lejano adquiriendo un polo del mismo signo; es como si la varilla desimantada estuviera compuesta de miríadas de imanes moleculares alargados, capaces de orientarse por sí mismos. En la varilla desimantada, estas moléculas se encuentran desordenadamente orientadas, pero en la vecindad de un, digamos, fuerte polo magnético norte, todos los extremos sur de los imanes moleculares son atraídos hacía el polo norte, y todos los extremos norte son rechazados, quedando así la varilla imantada con polos iguales y opuestos. En esto consiste esencialmente una teoría del magnetismo que, aunque ya anticuada, aún proporciona una representación elemental, pero no aclara la naturaleza de los imanes moleculares, ni explica por qué sólo el hierro y otras pocas sustancias presentan esta propiedad peculiar en un grado notable. Pero para un propósito elemental, la teoría es razonablemente satisfactoria. Transparencia Magnética Es la propiedad de los materiales que dejan pasar el magnetismo a través de ellos sin magnetizarse. Es decir las líneas de fuerza pasan a través de ellos, como en el cartón, el plástico, el algodón y el estaño. Permeabilidad Magnética El hierro tiene la propiedad de concentrar las líneas de fuerza, propiedad que llamamos permeabilidad magnética. La mayor o menor facilidad que tiene un material para adaptarse o involucrar un campo magnético. Si colocamos un trozo de hierro en un campo magnético las líneas de fuerza se desvían tendiendo a pasar por el hierro. Al colocar ese trozo de metal se rompe la homogeneidad del medio y además aquél se imanta por inducción y provoca la correspondiente variación de flujo. Cuanto mayor sea el número de líneas que sufran esa desviación, mayor será la permeabilidad de las sustancias. El níquel, acero, cobalto, que colocados en un campo magnético denotan notoriedad y permeabilidad, al colocar un trozo e esas sustancias en un campo magnético, el flujo (NÚMERO DE LÍNEAS DE FUERZA QUE PASAN POR UNA SUPERFICIE NORMAL A LAS LÍNEAS DE FUERZA) sufre una determinada modificación. La mayoría de los imanes se fabrican por inducción; barras de hierro desimantadas, u otras sustancias magnéticas, se someten a fuertes campos magnéticos, los que establecen el magnetismo por influencia, por así decirlo. Una de las propiedades del perlamoy es la facilidad con que se imanta con gran fuerza bajo la influencia de un campo magnético relativamente débil, lo que se debe a la propiedad llamada en términos técnicos permeabilidad. Esta propiedad ofrece uno de los medios más útiles para clasificar las sustancias magnéticas. Si, por ejemplo, una sustancia es intensamente magnética, su permeabilidad es muy alta y se dice 3 que es ferromagnética. Si, por su presencia, una sustancia aumenta un campo magnético, pero no tan intensamente como una ferromagnética, esa sustancia se llama paramagnética. Por otro lado, el bismuto se caracteriza porque, por su presencia, debilita a un campo magnético; de ahí que se diga que el bismuto es diamagnético. Las sustancias paramagnéticas se caracterizan por permeabilidades mayores que la unidad, mientras que las diamagnéticas tienen una permeabilidad menor de uno. Magnetismo Terrestre El hecho de que un imán suspendido tienda a orientarse de norte a sur, revela que en la superficie terrestre existe un campo magnético llamado campo magnético terrestre. Esta propiedad de la tierra se denomina magnetismo terrestre. La tierra es un gigantesco imán cuyo polo norte geográfico queda próximo al polo norte magnético. Los polos geográficos no coinciden con los polos magnéticos. Las unidades usadas para medir la intensidad del campo magnético (o inducción magnética) son: Tesla y Gaus. El magnetismo terrestre proporciona un tópico de estudio muy interesante. La Tierra se comporta como un gran imán esférico con su eje magnético haciendo un ángulo relativamente pequeño con el eje geográfico. El extremo norte de una brújula no apunta hacia el norte geográfico, sino al polo magnético que está situado al norte de la bahía de Hudson en Canadá. Puesto que los polos magnéticos y geográficos de la Tierra no coinciden, el eje de la brújula hace por lo general un ángulo con la dirección del norte geográfico; este ángulo, llamado ángulo de declinación, vale en la ciudad de México, por ejemplo, unos 8° 25' al este del norte. Declinación Magnética Declinación magnética es el ángulo que forma la dirección de la aguja magnética con la del meridiano del lugar. Al no coincidir el polo Norte geográfico con el Sur magnético, la dirección de la aguja no coincide tampoco con la del meridiano, sino que forma con ello un ángulo que se llama ÁNGULO DE DECLINACIÓN MAGNÉTICA. Este ángulo es distinto según el lugar de la Tierra en que nos situemos y deben conocerlo bien los navegantes para su orientación. Las brújulas servirán para los excursionistas, marinos y aviadores, pero necesitarán un mapa del lugar y como dato imprescindible, la declinación correspondiente. En los barcos y aviones van montadas en suspenciones especiales para contrarrestar los movimientos de los mismos. Inclinación Magnética Es el ángulo que forma el eje de la aguja magnética con la horizontal del lugar. Si colgamos una aguja sin imantar, se queda horizontal. Si después la imantamos notaremos que se colocará inclinada, por efecto de magnetismo terrestre. INCLINACIÓN MAGNÉTICA ES EL ÁNGULO QUE FORMA CON EL PLANO HORIZONTAL LA AGUJA IMANTADA QUE PUEDE GIRAR SOBRE UN EJE HORIZONTAL, DENTRO DEL PLANO DEL MERIDIANO MAGNÉTICO. Se determina mediante la brújula de inclinación que consta esencialmente de un círculo graduado colocado verticalmente y en el plano meridiano magnético; sobre él puede girar la aguja imantada. Además, los imaginarios polos magnéticos de la Tierra no están en su superficie, sino a una gran profundidad; 4 esto explica el fenómeno de que una brújula suspendida de tal modo que pueda girar tanto en el plano horizontal como en el vertical, tienda a apuntar hacia abajo en todos los puntos de la Tierra menos en el llamado ecuador magnético. El ángulo que la brújula hace con la horizontal se llama ángulo de inclinación y en la ciudad de México vale unos 47° 16', apuntando el norte hacia el suelo. Así, en la ciudad de México la tendencia a inclinarse sobrepasa a la tendencia horizontal por la relación como de 5 a 1; esto equivale a decir, técnicamente, que la componente vertical del campo magnético de la Tierra es como 5 veces mayor que la componente horizontal. Como en el estudio de la electrostática, la intensidad del campo magnético en un punto se atribuye a la existencia de un polo magnético próximo. Esto sirve para medir la intensidad polar del imán, lo que para el profano es una medida de la intensidad del imán en cuestión. Brújula La brújula es una aguja magnética, situada sobre un disco graduado y capaz de girar libremente alrededor de un eje vertical que pasa por su centro de gravedad. La brújula es muy usada, sobre todo en navegación, para orientarse y marcar la ruta que debe seguir el barco o avión. La brújula se emplea para la orientación de barcos y aviones, en trabajos de nivelación para levantar planos y medir terrenos. Las brújulas no son sino, agujas magnéticas, que se disponen sobre un círculo, en el que va dibujada la rosa de los vientos. Magnetómetro Para determinar el campo magnético terrestre es necesario conocer su intensidad y dirección; mide la intensidad del campo magnético. Los imanes tienen aplicación en objetos y aparatos como: radios, bocinas, juguetes con cuerda, ventiladores, computadoras, grabadoras, etc. Otros ordenamientos magnéticos En los últimos años, una mejor comprensión de los orígenes atómicos de las propiedades magnéticas ha llevado al descubrimiento de otros tipos de ordenamiento magnético. Se conocen casos en los que los momentos magnéticos interactúan de tal forma que les resulta energéticamente favorable alinearse entre sí en sentido antiparalelo; estos materiales se llaman antiferromagnéticos. Existe una temperatura análoga al punto de Curie, llamada temperatura de Néel, por encima de la cual desaparece el orden antiferromagnético. También se han hallado otras configuraciones más complejas de los momentos magnéticos atómicos. Las sustancias `ferrimagnéticas' tienen al menos dos clases distintas de momento magnético atómico, que se orientan de forma antiparalela. Como ambos momentos tienen magnitudes diferentes, persiste un momento magnético neto, al contrario que en un material antiferromagnético, donde todos los momentos magnéticos se anulan entre sí. Curiosamente, la piedra imán es ferrimagnética, y no ferromagnética; en este mineral existen dos tipos de ion hierro, con momentos magnéticos diferentes. Se han encontrado disposiciones aún más complejas en las que los momentos magnéticos están ordenados en espiral. Los estudios de estos ordenamientos han proporcionado mucha información sobre las interacciones entre los momentos magnéticos en sólidos. Aplicaciones En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del magnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico y el transformador. En épocas más recientes, el 5 desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los ordenadores o computadoras. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando `dominios burbuja'. Estos dominios son pequeñas regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material. Según que el sentido sea uno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistema binario empleado por los ordenadores. Los materiales magnéticos también son componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos. Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima de los raíles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante resonancia magnética nuclear, una importante herramienta de diagnóstico empleada en medicina, se utilizan campos magnéticos de gran intensidad. Los imanes superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas. • Origen Esta observación es muy antigua, anterior a Thales de Mileto (1640−550 años antes de Cristo) y se atribuye a un pastor llamado Magnes, que notó cómo eran atraídos por la tierra los clavos de hierro de sus sandalias y los de su cayado; al remover la tierra encontró la llamada piedra imán, que era la causa de la fuerza con que eran atraídos los clavos. Otros atribuyen el nombre de magnetita a ser descubierta en Magnesia, ciudad de Lidia situada en Asia Menor. Y como se ha dicho, Thales de Mileto ya mencionó la fuerza de atracción que ejerce la magnetita sobre el fierro. Historia de su estudio El fenómeno del magnetismo se conoce desde tiempos antiguos. La piedra imán o magnetita, un óxido de hierro que tiene la propiedad de atraer los objetos de hierro, ya era conocida por los griegos, los romanos y los chinos. Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro. Los imanes así producidos están `polarizados', es decir, cada uno de ellos tiene dos partes o extremos llamados polos norte y sur. Los polos iguales se repelen, y los polos opuestos se atraen. La brújula se empezó a utilizar en Occidente como instrumento de navegación alrededor del 1300 d.C. En el siglo XIII, el erudito francés Petrus Peregrinus realizó importantes investigaciones sobre los imanes. Sus descubrimientos no se superaron en casi 300 años, hasta que el físico y médico británico William Gilbert publicó su libro, De magnete en 1600. Gilbert aplicó métodos científicos al estudio de la electricidad y el magnetismo. Observó que la Tierra también se comporta como un imán gigante, y a través de una serie de experimentos investigó y refutó varios conceptos incorrectos sobre el magnetismo aceptados en la época. Posteriormente, en 1750, el geólogo británico John Michell inventó una balanza que utilizó para estudiar las fuerzas magnéticas. Michell demostró que la atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos. El físico francés Charles de Coulomb, que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas, verificó posteriormente la observación de Michell con una gran precisión. • Imán Imán (física), sustancia que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de atraer al hierro. Los imanes son cuerpos capaces de atraer el hierro, o como suele decirse limaduras de hierro o acero. La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto, fundamentalmente, de óxido de hierro (Fe3O4). Se 6 puede imanar un trozo de hierro sometiéndolo a un campo magnético creado por un imán o por una corriente eléctrica. El hierro dulce (hierro con muy bajo contenido en carbono) se convierte en un imán artificial que pierde su magnetismo cuando deja de estar en contacto con el primer imán (o, como en el caso de un electroimán, cuando deja de pasar la corriente eléctrica por el arrollamiento conductor). El acero imanado es un imán artificial permanente porque sí conserva su magnetismo. Si un imán se coloca entre limaduras de hierro, éstas se agrupan alrededor de sus extremos o polos, llamados polo norte y polo sur. Si se fragmenta un imán, cada fragmento presenta de nuevo un polo norte y un polo sur. Un imán es un objeto que ejerce una atracción medible, por el hierro, el acero y algunas otras sustancias. La magnetita, un mineral de hierro, es un imán natural. Los imanes artificiales se hacen de hierro, de acero y de mezclas de níquel, hierro y otros metales. Si se esparcen limaduras de hierro sobre un imán, la mayoría se adhieren en sus extremos o polos. Cuando un imán recto, como la aguja de una brújula, está en libertad de moverse, gira por sí solo y se detiene con un extremo señalando hacia el norte. Cerca de este extremo está su polo norte. Cerca del otro extremo se encuentra su polo sur. Los polos contrarios (norte y sur) de los imanes se atraen y los polos iguales se repelen. El espacio a través del cual es efectivo un imán, en su campo magnético. Si las limaduras de hierro se esparcen sobre un papel que esté colocado sobre una barra imantada, las limaduras se alinearan por sí solas en trayectorias que señalan las líneas de fuerza del campo magnético. Estas líneas van a través del espacio entre el polo norte y el polo sur y continúan a través del imán. Se desconoce la naturaleza exacta del magnetismo. Sabemos que si se rompe un imán, cada pedazo actúa como un imán. Aún cuando los grupos pequeños de moléculas, domains, de una sustancia magnética actúan, como imanes, cada cual con su polo norte y sur. Las moléculas (domains) de un objeto no imantado están colocadas al azar. Si el objeto se golpea con un imán, las moléculas imantadas giran de modo que todos sus polos nortes apuntan en la misma dirección. Entonces el objeto actúa como un imán. Un cuerpo con electricidad estática no posee propiedades magnéticas especiales, pero la electricidad dinámica crea a su alrededor un campo magnético. Las líneas de fuerza forman círculos concéntricos alrededor de un alambre recto. Si el alambre se enrolla en forma de bobina se conoce como selenoide. El selenoide es un elemento básico del electroimán. Algunos electroimanes son muy grandes, como los que levantan varios centenares de kilos de chatarra. Otros, como los de los timbres y los teléfonos, son muy pequeños. Partes de un Imán Polo norte, polo sur y zona neutra. Los polos norte o positivos que están orientados hacia el Polo norte geográfico. Polo sur negativo, los que quedan orientados hacia el sur geográfico. La parte media es la zona neutra, donde la atracción es nula o muy débil. Polos Magnéticos Se llaman polos magnéticos a las regiones donde parece concentrarse el magnetismo de los cuerpos magnéticos. Ley de Atracción de los Polos Magnéticos Los polos de nombre contrario se atraen, y los polos del mismo nombre se repelen. • Tipos de Imanes 7 Clases de Imanes Los imanes pueden ser imanes naturales y artificiales. Imanes Naturales Los minerales naturales son piedras minerales de óxido ferrosos férrico (Fe3O4), presentan la propiedad de atraer fragmentos de hierro, cobalto y níquel. El imán natural es un mineral, llamado magnetita (óxido ferrosos férrico Fe3O4), el cual ya desde la antigüedad era conocido por su maravillosa propiedad de atraer el hierro. Imanes Artificiales Imanes artificiales son cuerpos de acero o hierro dulce o de aleaciones de hierro, generalmente en forma de barra, o de herradura o de rombo alargado, que se transforman artificialmente en imanes por medio de una corriente eléctrica o por frotamiento con imanes naturales. Imanes Temporales Son los imanes de hierro dulce en los cuales el magnetismo es muy inestable, y de corta duración. Imanes Permanentes Son los imanes de acero en los que el magnetismo además de ser muy grande, es muy estable y de larga duración. Sustancias Magnéticas Son los cuerpos que son atraídos por el imán, (cobalto, fierro, níquel). Materiales Magnéticos Es costumbre asociar los fenómenos magnéticos con el hierro, lo que se debe no sólo a que los primeros descubrimientos de las propiedades magnéticas se encontraron en minerales de hierro, sino también a que el hierro es la sustancia, naturalmente magnética más conspicua que se presenta en la naturaleza. Sin embargo, es un error suponer que el hierro es la única sustancia magnética; el níquel y el cobalto presentan propiedades magnéticas, y recientemente se han fabricado aleaciones con propiedades magnéticas mejores que las del hierro; una de estas aleaciones es el perlamoy, desarrollado en los laboratorios de investigación de la American Telephone Company para uso de equipo telefónico. Otra de estas aleaciones es el alnico. Tipos de Materiales Magnéticos Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican siguiendo distintos criterios. Una de las clasificaciones de los materiales magnéticos que los divide en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos se basa en la reacción del material ante un campo magnético. Cuando se coloca un material diamagnético en un campo magnético, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto al campo. En la actualidad se sabe que esta propiedad se debe a las corrientes eléctricas inducidas en los átomos y moléculas individuales. Estas corrientes producen momentos magnéticos opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son diamagnéticos; los que presentan un diamagnetismo más intenso son el bismuto metálico y las moléculas orgánicas que, como el benceno, tienen una estructura cíclica que permite que las corrientes 8 eléctricas se establezcan con facilidad. El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo magnético aplicado alinea todos los momentos magnéticos ya existentes en los átomos o moléculas individuales que componen el material. Esto produce un momento magnético global que se suma al campo magnético. Los materiales paramagnéticos suelen contener elementos de transición o lantánidos con electrones desapareados. El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse por una dependencia de la temperatura: la intensidad del momento magnético inducido varía inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos magnéticos de los átomos individuales en la dirección del campo magnético. Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro, mantienen un momento magnético incluso cuando el campo magnético externo se hace nulo. Este efecto se debe a una fuerte interacción entre los momentos magnéticos de los átomos o electrones individuales de la sustancia magnética, que los hace alinearse de forma paralela entre sí. En circunstancias normales, los materiales ferromagnéticos están divididos en regiones llamadas `dominios'; en cada dominio, los momentos magnéticos atómicos están alineados en paralelo. Los momentos de dominios diferentes no apuntan necesariamente en la misma dirección. Aunque un trozo de hierro normal puede no tener un momento magnético total, puede inducirse su magnetización colocándolo en un campo magnético, que alinea los momentos de todos los dominios. La energía empleada en la reorientación de los dominios desde el estado magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase de la respuesta al campo magnético aplicado, conocido como `histéresis'. Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades magnéticas cuando se calienta. Esta pérdida es completa por encima de una temperatura conocida como punto de Curie, llamada así en honor del físico francés Pierre Curie, que descubrió el fenómeno en 1895. (El punto de Curie del hierro metálico es de unos 770 °C). Imantación por Frotamiento Frotando, repetidas veces, de un extremo a otro, una barra de acero, siempre en el mismo sentido y con el mismo polo de un imán, dicha barra se va transformando en un imán cada vez más poderoso, hasta que llega un momento en que su magnetismo no crece ya más, aunque se continúe frotando. Imantación por la Corriente Eléctrica Haciendo pasar una corriente eléctrica por un conductor arrollado sobre una barra de acero, ésta se transforma en un imán, el cual conserva su magnetismo aun después de cesar la corriente (imán permanente). Si la barra es de hierro dulce se imanta también; pero pierde su magnetismo al cesar la corriente eléctrica (imán temporal). La magnetización se pierde por calentamiento o golpeando el imán. • Campo Magnético Es el espacio donde ejerce su influjo cualquier imán. Esto se demuestra colocando una hoja de papel sobre un imán espolvoreando, limaduras de hierro, por encima y golpeando suavemente la hoja de papel, se mueven dichas limaduras y se alinean. El campo magnético Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un `campo magnético'. Los campos magnéticos suelen representarse mediante `líneas de campo magnético' o `líneas de fuerza'. En cualquier punto, la 9 dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse el esquema de líneas de fuerza. Igualmente, si se agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura. Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de partículas o los espectrógrafos de masas. • Electromagnetismo • Concepto El electromagnetismo, la llamada interacción nuclear fuerte (que mantiene unidos los protones y neutrones en los núcleos atómicos). Electromagnetismo Estudio de la acción recíproca de las corrientes o campos eléctricos y los campos magnéticos. Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, crea un campo magnético alrededor de éste, en ángulo recto con el curso de aquélla; si se enrolla el hilo conductor en un núcleo de hierro dulce, al pasar la corriente por el hilo, el núcleo se magnetiza (electroimán) y este principio tiene aplicación en la mayoría de los motores y aparatos eléctricos. El movimiento de la aguja de una brújula en las proximidades de un conductor por el que circula una corriente indica la presencia de un campo magnético alrededor del conductor. Cuando dos conductores paralelos son recorridos cada uno por una corriente, los conductores se atraen si ambas corrientes fluyen en el mismo sentido y se repelen cuando fluyen en sentidos opuestos. El campo magnético creado por la corriente que fluye en una espira de alambre es tal que si se suspende la espira cerca de la Tierra se comporta como un imán o una brújula, y oscila hasta que la espira forma un ángulo recto con la línea que une los dos polos magnéticos terrestres. Puede considerarse que el campo magnético en torno a un conductor rectilíneo por el que fluye una corriente se extiende desde el conductor igual que las ondas creadas cuando se tira una piedra al agua. Las líneas de fuerza del campo magnético tienen sentido antihorario cuando se observa el conductor en el mismo sentido en que se desplazan los electrones. El campo en torno al conductor es estacionario mientras la corriente fluya por él de forma uniforme. Cuando un conductor se mueve de forma que atraviesa las líneas de fuerza de un campo magnético, este 10 campo actúa sobre los electrones libres del conductor desplazándolos y creando una diferencia de potencial y un flujo de corriente en el mismo. Se produce el mismo efecto si el campo magnético es estacionario y el cable se mueve que si el campo se mueve y el cable permanece estacionario. Cuando una corriente empieza a circular por un conductor, se genera un campo magnético que parte del conductor. Este campo atraviesa el propio conductor e induce en él una corriente en sentido opuesto a la corriente que lo causó (según la llamada regla de Lenz). En un cable recto este efecto es muy pequeño, pero si el cable se arrolla para formar una bobina, el efecto se amplía ya que los campos generados por cada espira de la bobina cortan las espiras vecinas e inducen también una corriente en ellas. El resultado es que cuando se conecta una bobina así a una fuente de diferencia de potencial, impide el flujo de corriente cuando empieza a aplicarse la diferencia de potencial. De forma similar, cuando se elimina la diferencia de potencial, el campo magnético se desvanece, y las líneas de fuerza vuelven a cortar las espiras de la bobina. La corriente inducida en estas circunstancias tiene el mismo sentido que la corriente original, y la bobina tiende a mantener el flujo de corriente. Debido a estas propiedades, una bobina se resiste a los cambios en el flujo de corriente, por lo que se dice que posee inercia eléctrica o autoinducción. Esta inercia tiene poca importancia en circuitos de corriente continua, ya que no se observa cuando la corriente fluye de forma continuada, pero es muy importante en los circuitos de corriente alterna. Teoría Electromagnética A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable recorrido por una corriente. En 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético, mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético. Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez más en la comprensión del origen atómico y molecular de las propiedades magnéticas de la materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin desarrolló una teoría sobre la variación con la temperatura de las propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas (ver más adelante), basada en la estructura atómica de la materia. Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la descripción de propiedades macroscópicas a partir de las propiedades de los electrones y los átomos. Posteriormente, la teoría de Langevin fue ampliada por el físico francés Pierre Ernst Weiss, que postuló la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro. Este concepto, combinado con la teoría de Langevin, sirvió para explicar las propiedades de los materiales fuertemente magnéticos como la piedra imán. Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada. La teoría del físico danés Niels Bohr sobre la estructura atómica, por ejemplo, hizo que se comprendiera la tabla periódica y mostró por qué el magnetismo aparece en los elementos de transición, como el hierro, en los lantánidos o en compuestos que incluyen estos elementos. Los físicos estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck demostraron en 1925 que los electrones tienen espín y se comportan como pequeños imanes con un `momento magnético' definido. El momento magnético de un objeto es una magnitud vectorial que expresa la intensidad y orientación del campo magnético del objeto. El físico alemán Werner Heisenberg dio una explicación detallada del campo molecular de Weiss en 1927, basada en la recientemente desarrollada mecánica cuántica. Más tarde, otros científicos predijeron muchas 11 estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas. Efectos Magnéticos de la Corriente Eléctrica Electromagnetismo. En 1820 Cristian Oersted descubrió, que una brújula colocada paralelamente a un alambre se desviaba y tendía a tomar la posición perpendicular al alambre tan pronto como circulaba en él una corriente eléctrica. Con esto se demostró que la corriente eléctrica produce a su alrededor un campo magnético. En los motores eléctricos, que a su vez mueve n los tranvías, trenes eléctricos, maquinaría de fábricas y de la industria del país. Campo de una Corriente Rectilínea Para estudiar el campo creado por una corriente rectilínea se atraviesa perpendicularmente a una cartulina por un alambre conductor y se le espolvorea con limaduras de hiero. Al pasar una corriente intensa por el alambre, las limaduras se alinean según las líneas de fuerza del campo magnético creado por la corriente, que en este caso son circulares y concéntricas. El sentido de las líneas de fuerza pueden determinarlo en la forma que se aprecia en la figura, y cambia con el sentido de la corriente como se comprueba experimentalmente. Solenoide o Bobina Solenoide o bobina es un conjunto de corrientes circulares paralelas e iguales, el cual se obtienen arrollando en espiral un conductor recorrido por la misma corriente. Solenoides Los conductores de la corriente eléctrica dispuestos en espiral se llaman solenoides. Las líneas de fuerza del campo magnético originado al circular por ellos una corriente son paralelas al eje en la parte interior y se cierran exteriormente, en cuanto a su sentido. El espectro magnético obtenido es análogo al de un imán, las líneas de fuerza entran por su cara Sur y salen por su cara Norte. Un solenoide también se llama Bobina, se comporta como un imán. Así un solenoide móvil tomará la orientación norte−sur bajo la acción del campo magnético terrestre. Los solenoides son en definitiva, una serie de espiras iguales y paralelas se refuerzan la acción electromagnética, creando un campo muy intenso. Se construye un solenoide enrollando un alambre en forma de hélice y haciendo pasar por él una corriente. Si los extremos del alambre de un solenoide se cuelgan en apoyos adecuados para que pueda girar libremente, y si por conducto de dichos apoyos se hace pasar una corriente al solenoide, se observará que el eje del solenoide así suspendido se comporta exactamente como un imán, o sea que se orienta en la dirección norte sur. Al extremo del eje del solenoide que se dirige al norte de la Tierra se le llama polo norte del solenoide y al extremo que dirige al sur se le llama polo sur. Si se dispone de dos solenoides, uno suspendido y el otro que se pueda llevar con la mano a distintos sitios, se observará también la misma ley de las atracciones y repulsiones de los imanes. 12 Campo de una Corriente Circular Las líneas de fuerza del campo creado por una corriente que recorre un alambre circular, se pueden poner también en evidencia mediante una cartulina y limaduras de hierro. Tienen la forma que observas. Las Corrientes Inducidas Fue el físico Inglés, Miguel Faraday el que descubrió que introduciendo o extrayendo un imán de una bobina se producía una corriente eléctrica. Experimento de Faraday • Si el imán se mantiene inmóvil, no hay corriente. • Si el imán se acerca aparece corriente, la que cesa cuando detenemos el imán. • Si el imán se aleja, la corriente cambia de sentido. Cuanto más rápidamente se mueve el imán, más intensa es la corriente. Todo campo magnético variable crea una corriente eléctrica. Inducción Electromagnética Es el fenómeno de la producción de una F. E. M. Y de una corriente, mediante el corte de líneas magnéticas con un conductor. Corriente Inducida Es la que se engendran por dicho corte, o sea por la transformación de una energía mecánica en energía eléctrica. Inductor Es el campo magnético ya sea de un imán permanente o de un electroimán. Inducido Es el circuito en donde resultan la F. E. M. Y la corriente. Experimento en la Inducción Magnética • Cuando el inductor está abierto no hay inducción. • La desviación de la aguja del galvanómetro se producen en un sentido al cerrar; y en sentido contrario al abrir el circuito. • Una vez cerrado el circuito, la corriente en le inductor es constante y no se produce corriente inducida. El galvanómetro marca cero. Sean dos solenoides S y S' inductor e inducido. Cuando se cierra el interruptor se origina en S' una corriente inducida cuya intensidad aumenta sensiblemente si en el interior de S se ha colocado un núcleo de hierro. Lo que sí ha variado es el flujo de inducción que origina una corriente inducida. Transformadores Los transformadores son aparatos de gran rendimiento porque no tienen piezas móviles. Constan de un núcleo formado por láminas de hierro dulce en forma de cuadro en una rama del cuadro se bobina un arrollamiento de pocas espiras de hilo grueso llamado primario y en otro lado del cuadro se dispone otro arrollamiento de muchas vueltas de hilo fino, llamado secundario. El hilo es de cobre y debe ir aislado. 13 Si en el primario, que tiene n espiras, hacemos pasar una corriente alterna cuya tensión es de V volts, en el secundario que tiene n' espiras se obtiene una corriente alterna del mismo periodo, pero cuya tensión V' volts es mucho mayor y está dado por la siguiente relación de transformación. En el transformador es un aparato reversible, pues puede tomar como primario el arrollamiento de muchas espiras y como secundario el de pocas. En este caso, en vez de aumentar, lo que haríamos sería rebajar la tensión de la corriente alterna. Por eso se habla de TRANSFORMADORES DE ALTA cuando se quiere elevar la tensión y de TRANSFORMADORES DE BAJA cuando se quiere disminuirla. Para transportar la corriente eléctrica, se dispone un transformador de alta a la salida del generador, para elevar la tensión del transporte. A la entrada de la ciudad hay un transformador de baja que reduce la tensión de 115000 volts, transportándola así hasta los transformadores de sector dentro de la población, que la rebajan desde 15000 volts hasta 125 volts. Aplicaciones de los Transformadores En el transporte de energía eléctrica, para bajar la tensión de 100000 volts hasta 1000 volts, en el alumbrado eléctrico, en comunicaciones, en las plantas eléctricas, en las redes de distribución de la electricidad, en el buen funcionamiento de los aparatos eléctricos como la radio, la televisión, timbres, las líneas modernas de transmisión de alto potencial funcional con potenciales desde muy bajo hasta medio millón de volts. • Experimento de Oersted Como las cargas eléctricas y los polos de los imanes obedecen a las leyes de interacción semejantes, los físicos supusieron que habría una relación entre la electricidad y el magnetismo; acercaron brújulas a cuerpos fuertemente cargados y péndulos eléctricos a poderosos imanes y, desconcertados encontraron que no había interacción. Los efectos magnéticos de la corriente eléctrica fueron descubiertos por Oersted, quien ejecutó el experimento que consiste en tomar un alambre conductor colocado horizontalmente en la dirección norte−sur y poner debajo de él una brújula. Si se hace pasar una corriente se observa que la brújula se desvía en el sentido indicado en la figura, esto es, el polo norte se mueve hacia el oeste. Si se invierte después el sentido de la corriente, se verá que la brújula sufre una desviación, solo que ahora en sentido contrario. La existencia de un campo magnético en torno a un flujo de corriente eléctrica fue demostrada por el científico danés Hans Christian Oersted. La primera conexión entre el magnetismo y la electricidad se encontró en los experimentos del físico y químico danés Hans Christian Oersted, que en 1819 descubrió que un cable conductor por el que fluía una corriente eléctrica desviaba una aguja magnética situada en sus proximidades. Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético. Acerco un alambre con corriente eléctrica paralelamente a una brújula y quedó perplejo al ver moverse la brújula hasta colocarse perpendicular el alambre: había descubierto la relación entre la electricidad y el magnetismo. Oersted demostró que un hilo conductor recorrido por una corriente eléctrica desviaba una aguja magnética, por lo que el hilo actuaba como un imán. • Regla de la Mano Derecha Se coloca la mano derecha sobre el conductor con la palma hacía él, y de modo que la corriente entre por su muñeca y salga por la punta de los dedos. El polo norte de la aguja de desviará en el sentido que 14 marca el pulgar extendido, perpendicularmente a los otros dedos. Considérese que se coloca la mano derecha a lo largo del alambre por el cual está pasando la corriente, de tal manera que ésta salga por la punta de los dedos y que la palma de la mano está dirigida hacia la brújula. Si en estas condiciones se extiende el pulgar, la dirección de dicho dedo indica hacia dónde se mueve el polo norte de la brújula. Tanto para esta regla, como para otras que se enuncian más adelante, se considera como sentido de la corriente, el que sale por el polo positivo de un generador y regresa por su polo negativo. Ahora bien, existe la tendencia moderna, fundada en la teoría electrónica, de considerar como sentido de la corriente el sentido en que realmente fluyen los electrones. En tal caso la regla anterior debiera aplicarse con la mano izquierda, y no con la derecha. Sin embargo, como todavía no existe una convención internacional (o por lo menos nacional) para modificar lo que es clásico llamar sentido de la corriente, nosotros seguiremos ajustándonos a la costumbre tradicional. La regla de la mano derecha es aplicable tanto para cuando la brújula se pone por debajo del alambre, como cuando se pone por encima de él y haciendo pasar la corriente en el alambre, tanto en un sentido como en sentido contrario. También se puede comprobar la regla de la mano derecha colocando verticalmente el alambre por el que pasa la corriente y poniendo la brújula en distintas posiciones alrededor del alambre, se verá que toma la brújula diversas orientaciones, pero en todas ellas el sentido en que se mueve el polo norte queda de acuerdo con la regla de la mano derecha. • Electroimanes Se llama electroimán a una barra de hierro dulce rodeada de un solenoide que se transforma temporalmente en un imán al circular una corriente eléctrica. Electroimán es una bobina o solenoide que lleva en su interior una barra o haz de hilos de hierro dulce, llamado núcleo. Este núcleo de hierro dulce, al pasar la corriente eléctrica por las espiras que los rodean, se convierte asimismo en otro imán, cuyas líneas de fuerza se suman a las de la corriente aumentando de este modo considerablemente la intensidad del campo magnético de la bobina. El núcleo de los electroimanes va, generalmente doblado en forma de herradura y lleva en cada extremo una bobina del mismo hilo pero arrollado en sentido contrario, para tener los dos polos norte y sur. Electroimán, dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje. Al colocar el núcleo de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partículas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético generado por el solenoide. La imantación del núcleo alcanza la saturación cuando todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la corriente tiene poco efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual. Los electroimanes se utilizan mucho en tecnología; son los componentes fundamentales de cortacircuitos y relés y se aplican a frenos y embragues electromagnéticos. En los ciclotrones se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro; también se utilizan potentes electroimanes para levantar hierro y chatarra. 15 Si se enrolla un solenoide alrededor de una barra de hierro dulce (no de acero) se observará que esa barra adquiere las características de un imán mientras está pasando la corriente por el solenoide. Pero tan pronto como deja pasar la corriente, pierde sus propiedades magnéticas la barra. Al dispositivo así constituido se le llama electroimán. Aplicaciones de los Electroimanes Los electroimanes se aplican en timbres zumbadores, receptores acústicos, receptores telefónicos, altavoces de radio, motores, generadores, instrumentos eléctricos de medición como voltímetros, amperímetros, en registros de cintas magnéticas, que juegan tan importante papel en la industria y en la ciencia. Timbre Eléctrico El timbre eléctrico consta de un electroimán, el cual, al pasar por él la corriente eléctrica de una pila, atrae una lámina elástica de hierro dulce uno de cuyos extremos está fijo y el otro termina en un martillo. Con éste, la lámina al ser atraída, golpea la campanilla metálica, e interrumpe la corriente de la pila. Al interrumpirse la corriente, el imán no puede atraer la lámina, y ésta vuelve, por tanto, en virtud de la elasticidad a cerrar el circuito; y vuelve a su vez, el electroimán a atraerla, y ella al golpear de nuevo la campanilla; y así sucesivamente mientras se oprima el botón. • Electromotor A una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor. Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor. La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por la reacción magnética. El campo magnético de un imán permanente es lo suficientemente fuerte como para hacer funcionar una sola dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los cables conductores. Motores de corriente continua En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho 16 podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y la armadura gira (véase Momento de una fuerza). La acción del conmutador y de las conexiones de las bobinas del campo de los motores son exactamente las mismas que usan los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico. Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática. La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo. Motores de corriente alterna Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna polifásica: los motores síncronos y los motores de inducción. El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna. La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin embargo, no pueden utilizarse este tipo de motores en aplicaciones en las que la carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce su velocidad cuando está bajo carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y llegar a pararse. Los motores síncronos pueden funcionar con una fuente de potencia monofásica mediante la inclusión de los elementos de circuito adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio. El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de caja de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluyen una serie de conductores de gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y paralelos a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de la corriente trifásica dentro de las bobinas de la armadura fija genera un campo magnético rotatorio, y éste induce una corriente en los conductores de la jaula. La reacción magnética entre el campo rotatorio y los conductores del rotor que transportan la corriente hace que éste gire. Si el rotor da vueltas exactamente a la 17 misma velocidad que el campo magnético, no habrá en él corrientes inducidas, y, por tanto, el rotor no debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la velocidad de rotación del rotor y la del campo difieren entre sí de un 2 a un 5%. Esta diferencia de velocidad se conoce como caída. Los motores con rotores del tipo jaula de ardilla se pueden usar con corriente alterna monofásica utilizando varios dispositivos de inductancia y capacitancia, que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al bifásico. Este tipo de motores se denominan motores multifásicos o motores de condensador (o de capacidad), según los dispositivos que usen. Los motores de jaula de ardilla monofásicos no tienen un par de arranque grande, y se utilizan motores de repulsión−inducción para las aplicaciones en las que se requiere el par. Este tipo de motores pueden ser multifásicos o de condensador, pero disponen de un interruptor manual o automático que permite que fluya la corriente entre las escobillas del conmutador cuando se arranca el motor, y los circuitos cortos de todos los segmentos del conmutador, después de que el motor alcance una velocidad crítica. Los motores de repulsión−inducción se denominan así debido a que su par de arranque depende de la repulsión entre el rotor y el estátor, y su par, mientras está en funcionamiento, depende de la inducción. Los motores de baterías en serie con conmutadores, que funcionan tanto con corriente continua como con corriente alterna, se denominan motores universales. Éstos se fabrican en tamaños pequeños y se utilizan en aparatos domésticos. Otros tipos de máquinas En aplicaciones especiales se emplean algunos tipos de máquinas dinamoeléctricas combinadas. Por lo general, es deseable cambiar de corriente continua a alterna o a la inversa, o cambiar de voltaje de alimentación de corriente continua, o la frecuencia o fase con alimentación de corriente alterna. Una forma de realizar dichos cambios, es usar un motor que funcione con el tipo disponible de alimentación eléctrica para que haga funcionar un generador que proporcione a su vez la corriente y el voltaje deseados. Los generadores de motor, que están compuestos de un motor que se acopla mecánicamente a un generador adecuado, pueden realizar la mayoría de las conversiones antes indicadas. Un transformador rotatorio es una máquina que sirve para convertir corriente alterna en continua, usando bobinas separadas en una armadura rotatoria común. El voltaje de alimentación de corriente alterna se aplica a la armadura a través de los anillos colectores, y el voltaje de la corriente continua se extrae de la máquina con un conmutador independiente. Un dinamotor, que se usa por lo general para convertir corriente continua de bajo voltaje en corriente de alto voltaje, es una máquina parecida que tiene bobinas de armadura independientes. Las máquinas de corriente continua conocidas como amplidinas o rototroles, que tienen varias bobinas de campo, se usan como amplificadores de potencia. Un pequeño cambio en la potencia suministrada a una bobina de campo produce un gran cambio en la potencia de salida de la máquina. Estos amplificadores electrodinámicos se utilizan a menudo en servomecanismos y otros sistemas de control. Véase Automatización; Electricidad. • Efecto Motor Fundamento de los Motores Los motores eléctricos están fundados en la fuerza que sufre un conductor recorrido por una corriente eléctrica cuando está en el seno de un campo magnético. Si dentro de un campo magnético situamos en vez de un conductor rectilíneo, un conductor rectangular los lados AB y CD están sometidos a fuerzas, que aplicando la regla de la mano izquierda, se ve que están dirigidas en sentidos contrarios formando un par de fuerzas bajo cuya acción, el circuito gira hasta situarse en la posición C que es cuando las dos fuerzas estarían en la misma dirección y en sentidos contrarios anulándose, con lo cual, el circuito rectangular quedaría en equilibrio. 18 Pero si en ese momento, cambia el sentido de la corriente eléctrica, entonces el cuadro daría otra media vuelta y así sucesivamente si se dispone de un artificio para que la corriente eléctrica cambie de sentido cada media vuelta, este artificio se llama conmutador y está formado en este caso, por dos semianillos llamados DELGAS en cuya superficie rozan las ESCOBILLAS hechas de carbón conductor a través de las cuales pasa la corriente. En la práctica, el motor no tiene un solo conductor rectangular, sino muchos arrollados en forma de bobina plana. Varias de estas bobinas se disponen arrolladas sobre un tambor o cilindro de hierro dulce. Este conjunto forma una de las piezas esenciales del motor llamado inducido que es el que gira. Un dibujo de un inducido formado por las bobinas unidas a las delgas y constituyen al colector. Inducido y colector giran en el seno del campo magnético producido por un electroimán llamado inductor cuyas piezas están en forma cilíndrica para que el espacio entre el inducido y el inductor sea el menor posible. Los polos del inductor entre los cuales está el inducido. Estos motores se llaman de escobillas porque la corriente entra en el colector a través de estos contactos de carbón conductor que hemos llamado escobillas y donde se produce un cierto chisporroteo. No tiene aplicación más que para pequeñas potencias; aparatos electrodomésticos o motores de arranque de coches. Los motores industriales están diseñados de una manera distinta. El Motor En el motor, la armadura es simplemente una barra electromagnética montada, sobre un eje. Una terminal de esta armadura está conectada a cada segmento del conmutador, el cual también montado sobre el eje pero aislado de éste. La corriente entra en la armadura por la escobilla (+), pasa al derredor de la armadura la bobina , y entonces regresa a la batería a través de la armadura, en este final derecho empieza un polo norte, y en este final izquierdo un polo sur. La repulsión entre cada armadura como polo y el polo de campo, causa a la armadura hacer media vuelta. Si la corriente continúa fluyendo en la misma dirección, la armadura podría casar de rotar en este punto. Sin embargo en el preciso momento que la armadura ha completado esta media vuelta, los segmentos de este conmutador cambian las escobillas, de este modo cambiando la dirección de la corriente en la armadura y por consecuencia, estos polos otra vez la terminal derecha de la armadura empieza un polo norte y el izquierdo un polo sur, y otra vez la repulsión entre cada armadura como polo y causa a la armadura a dar media vuelta. Este proceso continúa así manteniendo la armadura rotando y fija en una sola dirección. Motores Comerciales En el motor simple justamente descrito, el campo está provisto de in electromagneto cuyas vueltas está conectadas en paralelo con la bobina, dicho motor es llamado motor dinamo. Este tiene la ventaja y está capacitado a correr y a una velocidad constante. Puede ser usado en una amplia variedad de actividades como máquinas de coser, abanicos eléctricos, barredoras, etc. Motores Se denomina motor electromagnético aquella máquina que transforma la energía eléctrica en trabajo mecánico. • Efecto Generador A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo. Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las 19 proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor. Generador Eléctrico Un generador eléctrico tiene como una espira, cuyos extremos están soldados a dos anillos, ambos mutuamente aislados, gira alrededor de su eje, entre los polos de un imán en herradura. Al girar, los anillos hacen contacto por frotamiento con dos escobillas fijas, conectadas a un voltímetro. Cuando la espira gira, corta las líneas de fuerza del campo magnético creado por el imán; es decir, varia el número de líneas de líneas de fuerza que la atraviesan y, como consecuencia, se origina en ella una corriente inducida. Se observa que el sentido de esta corriente inducida en la espira cambia, a cada paso de ésta por la posición perpendicular al campo. LA CORRIENTE ELÉCTRICA ORIGINADA EN LA ESPIRA ES UNA CORRIENTE ELÉCTRICA. Generadores Electromagnéticos La corriente eléctrica originada al girar una espira es muy débil, pero, si en lugar de una espira movemos una bobina o un conjunto de bobinas, la corriente eléctrica originada puede tener elevada la tensión y una intensidad despreciable. Precisamente éste es el fundamento de los generadores de corriente eléctrica, llamados generadores electromagnéticos. Una turbina impulsada por agua cayendo desde cierta altura (CENTRALES HIDROELÉCTRICAS), por vapor de agua (CENTRALES TÉRMICAS) comunica un rápido movimiento de rotación a un conjunto de bobinas llamado inducido. El conjunto de imanes que crea el campo en los generadores industriales son electroimanes se llama inductor. Los anillos que recogen la corriente y las escobillas que la mandan al circuito forman el colector. En los modernos generadores a fin de no tener que utilizar escobillas, punto débil de estos aparatos, el inducido suele ser fijo y el inductor móvil. Los generadores electromagnéticos que, fundándose en lo que acabamos de explicar , producen corriente continua se llaman magnetos (SI EL INDUCTOR ES UN IMÁN PERMANENTE) o dinamos (SI EL INDUCTOR ES UN ELECTROIMÁN). Generadores de corriente continua Si una armadura gira entre dos polos de campo fijos, la corriente en la armadura se mueve en una dirección durante la mitad de cada revolución, y en la otra dirección durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en una dirección, o continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contra del conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su dirección dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de una dirección en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 20 1.500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo. Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable. Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético permanente. Generadores de corriente alterna (alternadores) Como se decía antes, un generador simple sin conmutador producirá una corriente eléctrica que cambia de dirección a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica, por lo que la mayoría de los generadores eléctricos son de este tipo. En su forma más simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura están sacados a los anillos colectores sólidos sin segmentos del árbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua más que con el generador en sí. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más fácilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo máquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del número de polos y el número de revoluciones por segundo de la armadura. A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras rotatorias no son prácticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallos mecánicos que podrían causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un número de imanes de campo. El principio de funcionamiento es el mismo que el del generador de corriente alterna descrito con anterioridad, excepto en que el campo magnético (en lugar de los conductores de la armadura) está en movimiento. La corriente que se genera mediante los alternadores descritos más arriba, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como 21 corriente alterna trifásica. Se puede obtener un número mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura, pero en la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que se emplea normalmente para generar potencia eléctrica. 22