Magnetismo y Electromagnetismo
El magnetismo, es 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.
Temario
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| IMANES |
| FUERZA MAGNÉTICA Y EFECTO DE ROTACIÓN EN UN CAMPO MAGNÉTICO |
| INTRODUCCIÓN ELECTROMECÁNICA |
Un imán es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que atrae a otros imanes o metales ferromagnéticos (por ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos). Puede ser natural o artificial.
Los imanes naturales mantienen su campo magnético continuo, a menos que sufran un golpe de gran magnitud o se les aplique cargas magnéticas opuestas o altas temperaturas (por encima de la Temperatura de Curie).
1.1*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 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.
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. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético.
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La fuerza magnética es la parte de la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz que mide un observador sobre una distribución de cargas en movimiento. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo.
Las fuerzas magnéticas entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza magnética entre cargas en movimiento. Esto sucede porque en el interior de los imanes convencionales existen microcorrientes que macroscópicamente dan lugar a líneas de campo magnético cerradas que salen del material y vuelven a entrar en él. Los puntos de entrada forman un polo y los de salida el otro polo.
2.1*Campo magnético alrededor de un conductor recto
Para comprender de una manera mas fácil el campo magnético en una bobina o solenoide, es importante estudiar el campo magnético que genera una corriente eléctrica en un conductor recto.
Cuando se esparcen limaduras de hierro sobre el papel y se atraviesa un conductor recto por el que se hace pasar corriente eléctrica, se observa como las limaduras se alinean alrededor de conductor, tomando la forma de círculos concéntricos.
Ampere ideo una regla para determinar la dirección del campo que rodea un conductor recto denominada regla de pulgar de la mano derecha.
La densidad del flujo magnético B, generada por una corriente a través de un conductor, puede calcularse con la siguiente expresión:
B= µI
2πr
Donde:
B= Densidad del flujo magnético en teslas.
µ= Permeabilidad del medio que rodea al conductor de Tm/A.
I= Intensidad de la corriente que circula por el conductor de amperes.
R=Distancia perpendicular entre el conductor y un punto determinado en metros.
Como una corriente en un conductor crea su propio campo magnético, es fácil entender que los conductores que lleven corriente ejercerán fuerzas magnéticas uno sobre el otro. Como se vera, dichas fuerzas pueden ser utilizadas como base para la definición del ampére y del Coulomb.
Considérese dos alambres largos, rectos y paralelos separados a una distancia a que llevan corrientes I¹ e I² en la misma dirección, como se muestra. Se puede determinar facilmente la fuerza sobre uno de los alambres debida al campo magnético producido por el otro alambre. El alambre 2, el cual lleva una corriente I², genera un campo magnético B² en la posición del alambre 1, la fuerza magnética sobre una longitud l del alambre 1 es F¹ = I¹l x B²
2.3*Campo magnético en una espira
Un conductor cerrado plano se llama espira. Si una espira se coloca en una región del espacio en la que existe un B uniforme, se ve sometida a una fuerza dada por la expresión para la fuerza sobre un conductor no rectilíneo obteniendo en este caso que:
ya que la suma de todos los vectores dl sobre una trayectoria cerrada es nula. Es decir:
.La fuerza neta ejercida por un campo B uniforme sobre un circuito cerrado de corriente es nula.
Sin embargo la espira no permanece en reposo ya que el momento ejercido por las fuerzas magnéticas es distinto de cero. Según la ecuación de la dinámica de rotación, este hecho provoca un giro en la espira de modo que la aceleración angular adquirida sea paralela al momento de las fuerzas.
Analizamos como ejemplo el movimiento de una espira rectangular.
Espira rectangular
Sea una espira rectangular de lados a y b situada en un campo magnético uniforme, contenido en el plano de la espira. Calculamos la fuerza neta que ejerce el campo sumando la fuerza sobre cada uno de los lados. La fuerza es nula sobre cada uno de lados a, por ser el campo paralelo al conductor.
Aplicamos la expresión para la fuerza sobre un conductor rectilíneo para cada lado b(lado 1 y lado 2):
El resultado es un par de fuerzas, (igual módulo y sentido opuesto), que ejercen un momento (τ) con respecto al centro del lado a, tal y como se muestra en la imagen frontal de la espira. Como los momentos ejercidos por ambas fuerzas tienen el mismo sentido, el módulo del momento resultante vendrá dado por la expresión:
donde A es el área de la espira.
Debido al momento resultante de las fuerzas la espira adquiere una aceleración angular paralela a dicho momento y se produce una rotación.
2.4*Campo magnético en un solenoide
Se puede utilizar una bobina larga y recta de hilo eléctrico, para generar un campo magnético uniforme casi similar a la de un imán de barra. Tales bobinas, llamadas solenóides, tienen una enorme cantidad de aplicaciones prácticas. El campo puede ser muy reforzado por la adición de un núcleo de hierro.
Dichos núcleos son típicos en los electroimanes.
Este caso idealizado sin duda, de la Ley de Ampere da
Esta resulta ser una buena aproximación para el campo magnético de un solenoide, particularmente en el caso de un solenoide con núcleo de hierro.
Tomando un camino rectangular sobre el que evaluar la ley de Ampere tal, que la longitud del lado paralelo al campo magnético sea L nos da una contribución interior en la bobina BL.
El campo es esencialmente perpendicular a los laterales del caminos, por lo que nos da una contribución despreciable. Si se toma el extremo de la bobina tan lejos, que el campo sea despreciable, entonces la contribución dominante la proporciona la longitud interior de la bobina.
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Cuando movemos un imán permanente por el interior de las espiras de una bobina solenoide (A), formada por espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una fuerza electromotriz (FEM), es decir, aparece una corriente eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida por la “inducción magnética” del imán en movimiento.
Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente al circular por esta otra bobina crea a su alrededor un “campo electromagnético”, capaz de inducir, a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina.
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