Magnetismo

¿Qué es el Magnetismo y el Electromagnetismo?

El electromagnetismo es la fuerza que se produce cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor simple, como un trozo de alambre o cable.

Se crea un pequeño campo magnético alrededor del conductor y la dirección de este campo magnético con respecto a sus polos «Norte» y «Sur» está determinada por la dirección de la corriente que fluye a través del conductor.

El magnetismo juega un papel importante en la ingeniería eléctrica y electrónica porque sin él componentes como relés, solenoides, inductores, estranguladores, bobinas, altavoces, motores, generadores, transformadores y medidores de electricidad, etc., no funcionarían si el magnetismo no existiera.

Entonces, cada bobina de alambre usa el efecto del electromagnetismo cuando una corriente eléctrica fluye a través de ella. Pero antes de que podamos ver el magnetismo y especialmente el electromagnetismo con más detalle, debemos recordar nuestras clases de física sobre cómo funcionan los imanes y el magnetismo.

La naturaleza del magnetismo

Los imanes se pueden encontrar en un estado natural en forma de mineral magnético, siendo los dos tipos principales la magnetita también llamada «óxido de hierro» (FE3O4 ) y la piedra imán, también llamada «piedra guía». Si estos dos imanes naturales están suspendidos de un trozo de cuerda, tomarán una posición en línea con el campo magnético de la Tierra siempre apuntando hacia el norte.

Un buen ejemplo de este efecto es la aguja de una brújula. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas, estos imanes naturales pueden ignorarse ya que su magnetismo es muy bajo y porque hoy en día, los imanes artificiales hechos por el hombre se pueden producir en muchas formas, tamaños y fuerzas magnéticas diferentes.

Básicamente, existen dos formas de magnetismo, «imanes permanentes» e «imanes temporales», y el tipo que se utiliza depende de su aplicación. Hay muchos tipos diferentes de materiales disponibles para fabricar imanes como hierro, níquel, aleaciones de níquel, cromo y cobalto y en su estado natural algunos de estos elementos como el níquel y el cobalto muestran cantidades magnéticas muy pobres por sí mismos.

Sin embargo, cuando se mezclan o «alean» junto con otros materiales como el hierro o el peróxido de aluminio, se convierten en imanes muy fuertes que producen nombres inusuales como «alcomax», «hycomax», «alni» y «alnico».

El material magnético en estado no magnético tiene su estructura molecular en forma de cadenas magnéticas sueltas o pequeños imanes individuales dispuestos libremente en un patrón aleatorio. El efecto general de este tipo de disposición da como resultado un magnetismo nulo o muy débil, ya que esta disposición desordenada de cada imán molecular tiende a neutralizar a su vecino.

Cuando el material se magnetiza, esta disposición aleatoria de las moléculas cambia y los diminutos imanes moleculares aleatorios y no alineados se «alinean» de tal manera que producen una disposición magnética en serie. Esta idea de la alineación molecular de los materiales ferromagnéticos se conoce como teoría de Weber y se ilustra a continuación.

Alineación de la molécula magnética de una pieza de hierro y un imán

La teoría de Weber se basa en el hecho de que todos los átomos tienen propiedades magnéticas debido a la acción giratoria de los electrones de los átomos. Los grupos de átomos se unen para que todos sus campos magnéticos giren en la misma dirección. Los materiales magnéticos están compuestos por grupos de pequeños imanes a un nivel molecular alrededor de los átomos, y un material magnetizado tendrá la mayoría de sus pequeños imanes alineados en una dirección solo para producir un polo norte en una dirección y un polo sur en la otra dirección. .

Del mismo modo, un material que tiene sus diminutos imanes moleculares apuntando en todas las direcciones tendrá sus imanes moleculares neutralizados por su imán vecino, neutralizando así cualquier efecto magnético. Estas áreas de imanes moleculares se denominan «dominios».

Cualquier material magnético producirá un campo magnético en sí mismo que depende del grado de alineación de los dominios magnéticos en el material creado por los electrones orbitales y giratorios. Este grado de alineación puede ser especificado por una cantidad conocida como magnetización, M.

En un material no magnetizado, M = 0, pero algunos de los dominios permanecen alineados sobre pequeñas regiones del material una vez que se elimina el campo magnético. El efecto de aplicar una fuerza de magnetización al material es alinear algunos de los dominios para producir un valor de magnetización distinto de cero.

Una vez que se ha eliminado la fuerza de magnetización, el magnetismo dentro del material permanecerá o se desintegrará rápidamente dependiendo del material magnético que se utilice. Esta capacidad de un material para retener su magnetismo se denomina Retentividad.

Los materiales que se requieren para retener su magnetismo tendrán una retentividad bastante alta y, como tales, se utilizan para hacer imanes permanentes, mientras que aquellos materiales necesarios para perder su magnetismo rápidamente, como los núcleos de hierro dulce para relés y solenoides, tendrán una retentividad muy baja.

Flujo magnético

Todos los imanes, sin importar su forma, tienen dos regiones llamadas polos magnéticos con el magnetismo tanto dentro como alrededor de un circuito magnético que produce una cadena definida de patrones organizados y equilibrados de líneas invisibles de flujo a su alrededor. Estas líneas de flujo se conocen colectivamente como el «campo magnético» del imán. La forma de este campo magnético es más intensa en algunas partes que en otras y el área del imán que tiene el mayor magnetismo se llama «polos». En cada extremo de un imán hay un polo.

Estas líneas de flujo (llamadas campo vectorial) no se pueden ver a simple vista, pero se pueden ver visualmente usando empastes de hierro esparcidos sobre una hoja de papel o usando una pequeña brújula para trazarlas. Los polos magnéticos siempre están presentes en pares, siempre hay una región del imán llamada polo norte y siempre hay una región opuesta llamada polo sur.

Los campos magnéticos siempre se muestran visualmente como líneas de fuerza que dan un polo definido en cada extremo del material donde las líneas de flujo son más densas y concentradas. Las líneas que forman un campo magnético que muestra la dirección y la intensidad se llaman Líneas de fuerza o más comúnmente “Flujo magnético” y se les da el símbolo griego, Phi ( Φ ) como se muestra a continuación.

Líneas de fuerza de un campo magnético de imanes de barra

 

Como se muestra arriba, el campo magnético es más fuerte cerca de los polos del imán donde las líneas de flujo están más espaciadas. La dirección general del flujo de flujo magnético es del norte ( N ) al sur ( S polo). Además, estas líneas magnéticas forman bucles cerrados que salen por el polo norte del imán y entran por el polo sur. Los polos magnéticos siempre están en pares.

Sin embargo, el flujo magnético en realidad no fluye del norte al polo sur ni fluye a ninguna parte, ya que el flujo magnético es una región estática alrededor de un imán en la que existe la fuerza magnética. En otras palabras, el flujo magnético no fluye ni se mueve, simplemente está ahí y no está influenciado por la gravedad. 

Algunos hechos importantes surgen al trazar líneas de fuerza:

  • Las líneas de fuerza NUNCA se cruzan.
  • Las líneas de fuerza son CONTINUAS.
  • Las líneas de fuerza siempre forman LAZOS CERRADOS individuales  alrededor del imán.
  • Las líneas de fuerza tienen una definida DIRECCIÓN de Norte a Sur.
  • Las líneas de fuerza que están muy juntas indican un FUERTE campo magnético.
  • Las líneas de fuerza que están más separadas indican un DÉBIL campo magnético.

Las fuerzas magnéticas se atraen y repelen como fuerzas eléctricas y cuando dos líneas de fuerza se acercan, la interacción entre los dos campos magnéticos hace que ocurra una de dos cosas:

  • 1.-  Cuando los polos adyacentes son iguales (norte-norte o sur- sur) se REPELEN entre sí.
  • 2.-  Cuando los polos adyacentes no son iguales (norte-sur o sur-norte) se ATRAEN entre sí.

Este efecto es fácilmente recordado por la famosa expresión de que “los opuestos se atraen” y esta interacción de campos magnéticos se puede demostrar fácilmente usando empastes de hierro para mostrar las líneas de fuerza alrededor de un imán. El efecto sobre los campos magnéticos de las diversas combinaciones de polos cuando los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen se puede ver a continuación.

Campo magnético de polos iguales y opuestos

Al trazar líneas de campo magnético con una brújula, se verá que las líneas de fuerza se producen de tal manera que dan un polo definido en cada extremo del imán donde las líneas de fuerza salen del polo norte y vuelven a entrar en el polo norte. Polo Sur. El magnetismo se puede destruir calentando o golpeando el material magnético, pero no se puede destruir o aislar simplemente rompiendo el imán en dos pedazos.

Entonces, si toma un imán de barra normal y lo rompe en dos partes, no tiene dos mitades de un imán, sino que cada pieza rota de alguna manera tendrá su propio polo norte y un polo sur. Si toma una de esas piezas y la vuelve a dividir en dos, cada una de las piezas más pequeñas tendrá un polo norte y un polo sur y así sucesivamente. No importa cuán pequeñas se vuelvan las piezas del imán, cada pieza seguirá teniendo un polo norte y un polo sur, ¡loco!

Entonces, para que podamos hacer uso del magnetismo en cálculos eléctricos o electrónicos, es necesario definir cuáles son los diversos aspectos del magnetismo.

La magnitud del magnetismo

Ahora sabemos que las líneas de fuerza o más comúnmente el flujo magnético alrededor de un material magnético reciben el símbolo griego, Phi, ( Φ ) con la unidad de flujo que es el Weber, ( Wb ) después de Wilhelm Eduard Weber. Pero el número de líneas de fuerza dentro de una unidad de área dada se llama «Densidad de flujo» y dado que el flujo ( Φ ) se mide en ( Wb ) y el área ( A ) en metros cuadrados, ( m2 ), la densidad de flujo se mide por lo tanto. en Webers / metro2 o (Wb/ m2) y se le da el símbolo B.

Sin embargo, cuando se hace referencia a la densidad de flujo en el magnetismo, a la densidad de flujo se le da la unidad del Tesla después de Nikola Tesla, por lo tanto, un Wb / m2 es igual a un Tesla, 1Wb / m2 = 1T. La densidad de flujo es proporcional a las líneas de fuerza e inversamente proporcional al área, por lo que podemos definir la Densidad de flujo como:

Densidad de flujo magnético

El símbolo de densidad de flujo magnético es B y la unidad de densidad de flujo magnético es el Tesla, T.

Es importante recordar que todos los cálculos de densidad de flujo se realizan en las mismas unidades, por ejemplo, flujo en webers, área en m2 y densidad de flujo en Teslas.

Ejemplo de magnetismo No 1

La cantidad de flujo presente en una barra magnética redonda se midió en 0,013 webers. Si el material tiene un diámetro de 12 cm, calcule la densidad de flujo.

El área de la sección transversal del material magnético en m2 se da como:

El flujo magnético se da como 0.013 webers, por lo tanto, la densidad de flujo se puede calcular como:

Entonces, la densidad de flujo se calcula como 1,15 Teslas.

Cuando se trata del magnetismo en circuitos eléctricos, debe recordarse que un Tesla es la densidad de un campo magnético tal que un conductor que lleva 1 amperio en ángulo recto con el campo magnético experimenta una fuerza de un newton-metro de longitud sobre él y esto será demostrado en el siguiente tutorial sobre electromagnetismo.

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