Imanes: Conceptos Fundamentales
Se denomina imán a cualquier cuerpo que tiene la facultad de atraer trozos de hierro. El mineral de hierro llamado magnetita es un imán natural.
El lado señalado con la letra “N” denota el polo norte magnético y la letra “S” denota el polo sur magnético.
Si se enfrentan dos imanes de barra por sus polos norte o por sus polos sur, se notará que se repelen; en cambio, si se enfrenta un polo norte con un polo sur, los imanes se atraen. De aquí surge la llamada Ley de Interacción de los Polos Magnéticos.
Ley de Interacción de los Polos Magnéticos
- Dos polos magnéticos del mismo nombre se repelen.
- Dos polos de diferente nombre se atraen.
Campo Magnético
El campo magnético es la zona del espacio que rodea a un imán y en donde se manifiestan fuerzas de origen magnético. Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético es vectorial y se asocia a cada punto del espacio tanto en magnitud como en dirección.
- Los campos magnéticos se unifican si están dispuestos de tal forma que el polo norte de un imán se enfrente al polo sur del otro.
- Los campos magnéticos se dispersan si se enfrentan dos polos norte.
- Los campos magnéticos se dispersan si se enfrentan dos polos sur.
Tipos de Imanes
Imanes Permanentes
Una pieza de hierro o acero se puede imanar (esto significa que adquiere las propiedades de un imán, es decir, produce campo magnético) enrollando sobre ella un alambre conductor aislado y haciendo pasar por él una corriente.
El acero dulce recocido se imana muy fácilmente, pero pierde la mayor parte de su imanación tan pronto como desaparece la corriente que permitió magnetizarlos.
Electroimanes
Como las corrientes eléctricas producen campos magnéticos, entonces se pueden construir imanes aprovechando este efecto de las corrientes eléctricas.
El electroimán no es más que una bobina enrollada sobre un núcleo magnético (el núcleo se usa para intensificar el flujo magnético) y por la cual se hace circular una corriente eléctrica. El imán así construido producirá un campo magnético solo cuando circule una corriente eléctrica por la bobina.
En la actualidad, se reconoce en general que todos los efectos magnéticos observados se deben a una de las dos fuentes básicas:
- El movimiento de la carga eléctrica, como en una corriente eléctrica.
- Ciertas propiedades magnéticas intrínsecas de los constituyentes microscópicos de la materia.
Clasificación de los Materiales Magnéticos
- Materiales ferromagnéticos. Estos incluyen al hierro, acero, níquel, cobalto y aleaciones como el alnico y permalloy. Las ferritas son materiales no magnéticos que tienen las mismas propiedades ferromagnéticas del hierro. Una ferrita es un material cerámico cuya permeabilidad relativa se encuentra entre 50 y 3000.
- Materiales paramagnéticos. En estos se incluye el aluminio, platino, manganeso y cromo. Su permeabilidad relativa es ligeramente mayor que la unidad (μr > 1).
- Materiales diamagnéticos. En estos se encuentra el bismuto, antimonio, cobre, zinc, mercurio, oro y plata. Su permeabilidad relativa es menor que la unidad (μr < 1).
Permeabilidad Magnética
La permeabilidad se refiere a la capacidad que tiene un material de concentrar el flujo magnético. Cualquier material que se magnetice fácilmente tiene una permeabilidad elevada. La medida de la permeabilidad de los materiales con referencia a la del aire o a la del vacío se llama permeabilidad relativa.
La permeabilidad relativa es adimensional porque es el cociente entre dos permeabilidades:
- μ = permeabilidad magnética del material.
- μ0 = permeabilidad magnética del aire o vacío. μ0 = 4πx10-7 H/m.
- μr = permeabilidad relativa del material magnético.
Dirección del Campo Magnético
La dirección del campo magnético producido por la corriente eléctrica se verifica mediante el uso de una brújula instalada de forma tangencial cerca del conductor.
Regla de la Mano Derecha
La regla de la mano derecha es un método práctico para determinar la relación entre la dirección del flujo de corriente en un conductor y la dirección de las líneas de fuerza del campo magnético alrededor de él.
Conceptos Cuantitativos del Magnetismo
Flujo Magnético (Φ)
La totalidad del grupo de líneas que salen del polo norte de un imán se llama flujo magnético. El símbolo del flujo magnético es la letra griega minúscula Φ (phi) y su unidad en el sistema MKS es el weber (Wb).
Inducción Magnética (B)
La inducción magnética es la medida cuantitativa del campo magnético, también denominada densidad de flujo magnético.
Donde:
- B = densidad magnética en Tesla (T).
- Φ = flujo magnético en webers (Wb).
- A = área de la sección en metros cuadrados (m²).
Fuerza Magnetomotriz (fmm)
El campo magnético producido por una bobina es directamente proporcional a la cantidad de corriente que fluye por ella y a la cantidad de espiras que tenga.
El producto de la corriente por el número de vueltas de la bobina se conoce como amperio-vuelta y se denomina también fuerza magnetomotriz (fmm) o transflujo. Entonces:
fmm = N × I
Donde:
- fmm = fuerza magnetomotriz en amperio-vuelta.
- N = número de espiras de la bobina.
- I = intensidad de la corriente en amperios.
Intensidad del Campo Magnético (H)
La intensidad del campo magnético (H) es también denominada fuerza magnetizante. Se puede considerar que los amperios-vuelta de una bobina por unidad de longitud constituyen una fuerza magnetizante que produce la densidad de flujo B.
En forma algebraica, la intensidad del campo magnético es:
H = (N × I) / l
Donde:
- H = intensidad del campo magnético en amperio-vuelta por metro (A-v/m).
- N = número de vueltas de la bobina.
- I = intensidad de la corriente en amperios (A).
- l = largo de la bobina en metros (m).
Reluctancia (ℛ)
La oposición al flujo magnético se llama reluctancia o resistencia magnética, que se puede comparar con la resistencia del circuito eléctrico.
Donde:
- ℛ = reluctancia en amperio-vuelta por weber (A-v/Wb).
- l = largo del núcleo en metros (m).
- A = sección del núcleo en metros cuadrados (m²).
- μr = permeabilidad relativa del núcleo (adimensional).
- μ0 = permeabilidad del vacío (4πx10-7 H/m).
El Circuito Magnético
Un circuito magnético donde se produce un flujo magnético (Φ) producto de una fuerza magnetomotriz (fmm), puede compararse con un circuito eléctrico donde fluye una corriente eléctrica de intensidad I producto de una fuerza electromotriz (fem).
Ley del Circuito Magnético
La fórmula universal de la ley del circuito magnético se expresa de la siguiente forma:
Φ = fmm / ℛ
Donde:
- Φ = flujo magnético.
- fmm = fuerza magnetomotriz.
- ℛ = reluctancia.
Comportamiento de las Bobinas con Núcleo
La inserción de un núcleo ferromagnético en el interior de la bobina aumenta el flujo magnético que atraviesa a la bobina. Esto se debe a que el núcleo se magnetiza, contribuyendo al flujo de la bobina. La polaridad del núcleo es la misma que la de la bobina y depende de la dirección del flujo de la corriente y de la dirección del devanado.
Fuerza Magnética sobre un Conductor Recorrido por una Corriente
Cuando una carga en movimiento atraviesa una zona del espacio donde existe un campo magnético de densidad B, la carga experimenta una fuerza F perpendicular a la dirección del campo magnético.
F = I L B
Donde:
- F = fuerza sobre el conductor en Newtons.
- I = intensidad de corriente (en amperios) por el conductor.
- L = longitud (en metros) de conductor inserto en el campo magnético.
- B = densidad de flujo (en Tesla) del campo magnético.