Aplicaciones de la Fuerza Magnética y Campos Eléctricos

Selector de Velocidades

Sirve para seleccionar partículas procedentes de un chorro previamente ionizado que tengan una velocidad concreta deseada. Las partículas ionizadas son aceleradas con una diferencia de potencial antes de entrar al selector. El selector consta de dos campos E y B, perpendiculares entre sí. Las partículas que entran están sometidas a estos campos. Ajustamos ambos campos para que las partículas con la velocidad deseada no se desvíen. A la salida del selector hay una pantalla con un orificio. Las partículas que van a la velocidad requerida salen por el orificio. Si las partículas tienen velocidad diferente, chocan con la pantalla.

Espectrómetro de Masas

Si a la salida del selector colocamos un campo B perpendicular, las partículas son desviadas describiendo una trayectoria circular cuyo radio es R = (mv)/(qB). Como todas salen con la misma carga y velocidad (seleccionadas por el selector), y el mismo B, el radio que describen depende de la masa. Esto nos permite separar isótopos de un mismo elemento. Los isótopos son distintos átomos de un mismo elemento químico que se diferencian por tener distinta masa en el núcleo.

Ciclotrón

Sirve para acelerar partículas. Consta de dos semicilindros (‘D’) en los cuales hay un campo B perpendicular y entre ellos una región en la cual se establece un campo E que va variando de sentido como resultado de aplicar corriente alterna. Se introduce una partícula cargada en la región del E. Es acelerada y entra en una de las ‘D’ del ciclotrón con cierta velocidad. La fuerza magnética Fm=q(VxB) hace que describa media vuelta a velocidad constante. Al salir, vuelve a entrar en la zona del E y se acelera de nuevo porque el E ha invertido su sentido. Al entrar en la otra ‘D’ con mayor velocidad, da otra media vuelta, pero con mayor radio R=(mv)/(qB). El proceso se repite hasta que el radio de la órbita coincide con el radio del ciclotrón, la cual abandona por una ranura.

Aplicaciones de la Fuerza Magnética en Dispositivos

Sincronización de Cilindros en el Motor de un Coche

Los cilindros en funcionamiento están en distintas fases, unos en expansión y otros en compresión. Para controlar la apertura y cierre de las válvulas (árbol de levas), se usa un rotor perforado. Se aplica un campo B que, al pasar por las perforaciones, crea una fuerza electromotriz Hall intermitente, regulando así las fases de expansión y compresión.

Motor Eléctrico

Consiste en una bobina por la que circula corriente, sometida a un campo magnético producido por un imán (estator). La fuerza magnética de Lorentz sobre la bobina provoca un momento que la hace rotar. La bobina tiende a alinearse con el campo magnético (B). Justo cuando la bobina está perpendicular a B (alineada con el par máximo), se cambia el sentido de la corriente para que el par continúe el giro.

Motor de Corriente Alterna (AC)

Ajusta el cambio de sentido de la corriente alterna con el punto de alineación de la bobina y B para que gire siempre en el mismo sentido.

Motor de Corriente Continua (DC)

La corriente llega a través de dos escobillas fijas que tocan un conmutador de anillo partido que gira con el eje del motor, cambiando el sentido de la corriente en la bobina para mantener el par y el giro en el mismo sentido.

Galvanómetro

Consiste en una bobina de N vueltas y área A, colocada en un campo B. La bobina gira debido al par magnético. Tiene una aguja conectada a un resorte que se opone al giro. La rotación es proporcional a la intensidad que circula. El galvanómetro es la base para construir voltímetros, amperímetros y ohmímetros.

Fuentes y Medición de Campos Magnéticos y Corriente

Pinza o Pistola de Corriente

Sirve para medir la intensidad de una corriente continua sin abrir el circuito. La pinza rodea el conductor y un sensor mide el campo B generado por la corriente (a menudo usando el efecto Hall), permitiendo conocer la intensidad del hilo.

Amperio

Es la intensidad de corriente constante que, mantenida en dos conductores paralelos rectilíneos de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de 1 metro en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2*10^-7 Newtons por metro de longitud.

Balanza de Corriente

Mide la intensidad. Consiste en un conductor fijo en la parte inferior y otro paralelo por encima con la misma intensidad. La fuerza magnética entre ellos lo repele. El conductor superior está unido a unas cuchillas móviles, y el ángulo que forma el plano vertical varía con la intensidad. Con un láser se mide el ángulo, que es proporcional a la intensidad.

Aplicaciones de los Solenoides

Su funcionamiento se basa en la creación de un campo B intenso en su interior al pasar corriente. Si se coloca un núcleo de hierro móvil en su interior, este es atraído, lo que permite mover un dispositivo.

• Válvula de arranque de un motor de coche: Con corriente continua, el solenoide atrae una pieza de hierro que acciona un mecanismo (por ejemplo, el piñón de arranque).
• Timbre de la puerta: Una corriente alterna cambia el sentido del campo B, haciendo oscilar un émbolo de hierro sujeto a un muelle que golpea la campana.
• Altavoz: Consiste en una membrana elástica unida a una bobina móvil situada en un campo magnético permanente. Una corriente alterna que oscila con la frecuencia del sonido atraviesa la bobina. La fuerza magnética sobre la bobina la hace vibrar, moviendo la membrana y generando ondas de sonido en el aire.

Aplicaciones de la Inducción Electromagnética

Cocina de Inducción

Una bobina con corriente alterna (AC) crea campos magnéticos variables. Una sartén con fondo ferromagnético (acero) o conductor (aluminio) se coloca sobre la bobina. El campo magnético variable induce corrientes parásitas (Foucault) en el fondo de la sartén, generando calor por efecto Joule. Si se coloca un recipiente de vidrio, que es aislante y no ferromagnético, no se calienta.

Sismógrafo

Se coloca una bobina con un imán permanente dentro de una caja. Al vibrar por el terremoto, el movimiento relativo entre el imán y la bobina genera un flujo magnético variable, induciendo una f.e.m. que se registra para medir la vibración.

Micrófonos y Guitarras Eléctricas

Tienen un imán permanente unido a una bobina. Las vibraciones (de voz o de las cuerdas de la guitarra) mueven la bobina o el imán, creando un flujo magnético variable. Esto induce una f.e.m. en la bobina, que constituye la señal eléctrica enviada al amplificador.

Cabezal de Grabado/Lectura en Disco/Cinta Magnética

La información (audio o video) se convierte en una corriente alterna que alimenta un electroimán con núcleo de hierro. Este crea un campo B variable que magnetiza pequeñas secciones de la cinta o disco magnético, creando ‘microimanes’. Para leer, la cinta/disco pasa bajo una bobina lectora. Los campos de los ‘microimanes’ crean un flujo variable en la bobina, induciendo una corriente alterna que reproduce la señal original.

Interruptor Diferencial (GFCI)

Compara la corriente que entra y sale de un circuito. En condiciones normales, son iguales y sus campos magnéticos opuestos se cancelan en un transformador toroidal (bobina sensorial). Si hay una fuga a tierra, la corriente de salida es menor que la de entrada, los campos no se cancelan, se induce una f.e.m. en la bobina sensorial que activa un relé (solenoide) para abrir rápidamente el circuito, interrumpiendo el suministro eléctrico.