Fundamentos del magnetismo
Líneas de fuerza
Líneas de fuerza: Las líneas de fuerza se manifiestan en los campos magnéticos provocados por un imán y van de norte a sur. Esto puede observarse experimentalmente si colocamos un vidrio sobre un imán y espolvoreamos pequeñas limaduras de hierro: se produce un acomodamiento en el que se aprecian las líneas de fuerza; a esto se lo denomina espectro magnético. Si a las líneas de fuerza les acercamos una superficie unitaria —la cual acercamos al imán— notaremos distintas concentraciones de líneas de fuerza.
Ley de Coulomb
Ley de Coulomb: Como se vio en electrostática, trasladado al magnetismo se verifica que la fuerza de atracción o repulsión entre dos masas magnéticas es proporcional a las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Magnetismo inducido
Magnetismo inducido: En presencia de una masa magnética, si le acerco un metal, ineludiblemente se genera una fuerza de atracción. A la masa magnética se la llama inductor y al cuerpo metálico, inducido. El cuerpo inducido adquirirá las propiedades magnéticas del inductor y tomará en su contacto la polaridad opuesta.
Blindaje magnético
Blindaje magnético: Es imposible aislar por completo o detener una línea de fuerza. Aquellos materiales que de alguna manera disminuyen las líneas de fuerza se los denomina materiales con buena reluctancia, que es el equivalente en circuitos eléctricos a la resistencia. Para evitar efectos de líneas de fuerza no deseadas se utilizan blindajes magnéticos con la intención de conducir las líneas de fuerza.
Teoría molecular de los imanes
Teoría molecular de los imanes: Todo metal está compuesto por moléculas (la menor partícula posible que conserva sus propiedades físicas y químicas). La molécula del hierro tiene dos polos que, ubicados en la masa metálica, se encuentran en perfecto estado de equilibrio. La magnetización del hierro se puede provocar, en primer término, por frotación o contacto, o por la generación de un campo eléctrico a causa de la corriente eléctrica.
Desmagnetización del hierro
Desmagnetización del hierro: La desmagnetización se produce principalmente aplicando una bobina con corriente alterna; el cambio constante de polaridad produce un desordenamiento molecular. También se desmagnetiza aplicando una fuente de calor a la masa metálica.
Electromagnetismo
Electromagnetismo: En 1820, el científico Hans Christian Ørsted descubrió que al acercar una brújula a un conductor por el que circulaba corriente, la aguja se desviaba: la brújula sufría la acción de un campo magnético. Las oscilaciones verificadas al acercar o alejar la brújula demostraron la existencia del campo magnético alrededor del conductor.
Campo magnético provocado por una bobina
Campo magnético provocado por una bobina: Si se colocan numerosas espiras próximas entre sí y se las carga eléctricamente, los campos magnéticos de cada espira se superpondrán, determinando un campo magnético muy intenso. Podemos decir que: cuanto más juntas están las espiras, mayor será el campo magnético; asimismo, cuanto mayor es el número de espiras, mayor será el campo magnético; y cuanto menor es la longitud de la bobina, mayor será el campo magnético en su interior.
Determinación de la polaridad de una bobina
Determinación de la polaridad de una bobina: Por convención se toma que el sentido de circulación de la corriente es de positivo a negativo, en sentido opuesto al flujo de electrones. Esta convención permite determinar la polaridad de una bobina según el sentido de la corriente.
Magnitudes y unidades de magnetismo
Flujo magnético: Unidad Wb (weber). Se llama flujo magnético al paso de líneas de fuerza por una superficie no unitaria.
Inducción magnética
Inducción magnética: La inducción magnética es el paso de líneas de fuerza por una superficie unitaria, es decir, por una superficie determinada.
Intensidad de campo H
Intensidad de campo H: La intensidad de campo de un circuito electromagnético será directamente proporcional a la intensidad de corriente en amperios y al número de espiras del solenoide, e inversamente proporcional a la longitud de la bobina.
Permeabilidad magnética
Permeabilidad magnética: Es la facilidad que tienen algunos materiales para el paso de las líneas de fuerza. Cabe destacar que aquellos materiales que oponen resistencia al paso de líneas de fuerza se los denomina materiales con capacidad de reluctancia. Comparando un circuito magnético con un circuito eléctrico, un material permeable sería comparable con un material conductor, y una reluctancia sería comparable con una resistencia.
Permeabilidad en el vacío
Permeabilidad en el vacío: Se refiere al flujo magnético en relación con la intensidad por metro lineal de la bobina en estado pasivo.
Permeabilidad relativa
Permeabilidad relativa: Se llama permeabilidad relativa al cociente entre el flujo magnético de una bobina con núcleo y la misma bobina sin núcleo. Cuando este cociente equivale a 1000 o más, estamos en presencia de un material ferromagnético cuya clasificación resulta óptima para circuitos magnéticos.
Características magnéticas de los materiales
Características magnéticas de los materiales: En presencia de una bobina se puede experimentar la permeabilidad relativa mediante distintos materiales. Esta prueba o evaluación se realiza relacionando la medición de los valores de inducción con la permeabilidad relativa de cada material.
Material N1
N1: Se clasifica como diamagnético. Los valores de B con núcleo de este material son menores que con núcleo de aire, y μr está entre 0 y -1.
Material N2
N2: Se clasifica como amagnético (no magnético). En este caso, la inducción B con núcleo de aire y con núcleo de este material son iguales, y la permeabilidad relativa es igual a 1.
Material N3
N3: Se clasifica como paramagnético. En este caso, la inducción B es mayor que la inducción al vacío y la permeabilidad relativa es mayor a 1 y menor que 1,01.
Material N4
N4: Se clasifica como ferromagnético. En este caso, la inducción magnética con núcleo de este material supera claramente los valores de inducción con el núcleo vacío y los valores de permeabilidad relativa son mayores a 1000. Este tipo de núcleos resulta apto para circuitos electromagnéticos.
Curvas de magnetización y saturación
Curvas de magnetización y saturación: Las curvas de magnetización y saturación magnéticas se pueden comprobar con la utilización de distintos núcleos magnéticos. Si se les aplica una bobina con cierta intensidad de campo H y se aumenta gradualmente H, se verifican diferentes valores de inducción (B). Es muy importante verificar en el gráfico el comportamiento y los valores de acuerdo a la intensidad. Materiales como el acero arrojan altos valores de inducción finales incluso con bajos valores de intensidad de campo (H). Por debajo, el hierro fundido y el de bajo níquel arrojan valores menores en comparación, pero más parejos o equilibrados. El punto de saturación magnética es el momento en el que, si continúo aumentando la intensidad de campo H, la inducción magnética deja de aumentar appreciablemente.
Ciclo de histéresis magnética
Ciclo de histéresis magnética: En presencia de un núcleo ferromagnético, a medida que aumento gradualmente la intensidad de campo H, aumentan los valores de inducción magnética, generando una curva de magnetización y saturación que depende del material empleado. Una vez que se llega al punto de saturación y se disminuye gradualmente la intensidad de campo, se aprecia que los valores de inducción no siguen la misma trayectoria: la curva no pasa por el mismo lugar. Esta nueva curva mantiene ciertos valores de inducción (B) aun cuando la intensidad de campo (H) sea igual a 0; a esto se lo llama remanencia o memoria magnética. Si desde H = 0 cambio el sentido de circulación de la corriente, existe un período en que el ciclo permanece con la misma polaridad; a esta porción de la curva se la llama campo coercitivo. Luego, si sigo incrementando la corriente, la polaridad cambia hasta llegar nuevamente al punto de saturación, y al disminuir la intensidad de campo la curva completa forma un ciclo simétrico con su respectiva remanencia y campo coercitivo.
Comparación entre circuito magnético y circuito eléctrico
Comparación entre circuito magnético y circuito eléctrico: Tras el descubrimiento de Ørsted en 1820 sobre la existencia de un campo magnético alrededor de un conductor cargado eléctricamente, los investigadores exploraron la posibilidad de generar electricidad a partir de un campo magnético. Michael Faraday, en la década de 1830, realizó experimentos hasta lograr corriente inducida por un campo magnético: el experimento consistió en conectar una bobina a un galvanómetro e introducir dentro de ella un imán permanente, logrando la corriente inducida.
Observaciones de Faraday
- Si el imán se mantiene inmóvil, no hay corriente.
- Cuando el imán se acerca, aparece corriente; si se detiene, cesa la corriente.
- Si el imán se aleja, cambia el sentido de la corriente.
- Cuanto más rápido atraviesa el imán la bobina, mayor es la corriente.
- Si se emplea una bobina con mayor número de espiras, mayor es la corriente inducida.
- Si se utiliza un imán más intenso, mayor será la corriente inducida.
Ley de Faraday
Ley de Faraday: La fuerza electromotriz inducida es directamente proporcional a la variación del flujo que la origina e inversamente proporcional al tiempo en que se produce; es decir, la fuerza electromotriz está relacionada con la velocidad de variación del flujo magnético a través de una superficie.