MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO. Magnetismo.Introducción.- Se conoce de antiguo la propiedad de la Magnetita, ( Fe3O4 ), de atraer el fierro y algunas aleaciones de éste. Inicialmente el magnetismo se utilizaba solo para eventos sociales y de entretención, ( fiestas, circos, etc., ). En el año 1820, el físico danés Hans Christian Oersted, ( 1777 – 1851 ), descubrió que la corriente que circulaba por un conductor, desviaba la aguja de una brújula ( inventada por los chinos hace mas de mil años ), que se encontraba próxima a éste. Esta desviación ocurría en ciertos lugares o vecindades y a cierta distancia. Este descubrimiento vino a relacionar los efectos producidos por las cargas eléctricas en movimiento y el magnetismo, permitiendo fusionar ambas ciencias hasta entonces separadas, del Magnetismo y la Electricidad, creando la ciencia llamada Electromagnetismo. El experimento de Oersted.El efecto de orientación de una aguja ,debida al campo magnético terrestre era un fenómeno bien conocido por los chinos desde el año 1.000 de nuestra era , por esta razón la deflexión de la aguja de una brújula se le atribuía a la interacción magnética del imán de la brújula, con el campo magnético terrestre. Oersted, con la ayuda de las Pilas Voltaicas, ( aporte del físico italiano Alessandro Volta, 1745-1827 ), pudo observar una situación semejante , mediante un simple experimento , en la cual se ubicaban una serie de brújulas a una misma distancia concéntrica del conductor como las mostradas en las siguientes figuras: Descripción : Se coloca un conductor por el cual se hace circular una corriente y en un plano normal a éste, se colocan cuatro brújulas equidistante del centro del conductor. Cuando la corriente del conductor es nula, las brújulas se orientan en dirección NorteSur como se indica en la figura a). Posteriormente si por el conductor se hace circular una corriente ( fig. b ), se observa que todas las brújulas se orientan de tal forma que crean un Lugar Geométrico circular alrededor del conductor. También se pudo observar, que si se invertía el sentido de la corriente, las agujas de las brújulas también cambiaban de dirección, es decir giraban 180º. La explicación que dio Oersted al fenómeno, fue que la corriente eléctrica debía producir un campo magnético, que daba por resultado la nueva orientación de las agujas de las brújulas. También demostró que la polaridad e intensidad del campo magnético creado, dependía directamente del sentido y de la magnitud de la corriente respectivamente. Definiciones. Campo Magnético.- Se da el nombre de campo magnético, a la región o lugar del espacio vecina a un imán o una corriente eléctrica, en la que se manifiestan los fenómenos de atracción o repulsión magnética. Campo Magnético Terrestre.- Es el campo magnético propio de la tierra, debido que ésta es un imán permanente gigantesco. El campo magnético terrestre posee un Polo Norte magnético, y un Polo sur Magnético, cuyo eje imaginario esta desviado respecto del eje Norte y Sur geográfico aprox. 23.5 º Posteriores estudios y descubrimientos, permitieron enunciar las primeras leyes del electromagnetismo, que son la base para todos los fenómenos Electromagnéticos, utilizados hasta el día de hoy: 1º Ley : “Toda carga eléctrica en movimiento, crea un campo magnético a su alrededor. La magnitud y sentido de este campo depende directamente del sentido de la corriente y de la intensidad de ésta “. Por convención, el campo magnético se representa por Líneas de Flujo Magnético, que sales del polo Norte y entran por el polo Sur, como se grafica en la siguiente figura: a) Líneas de fuerza de un Imán indicando sentido convencional b) Espectro del Campo magnético alrededor de un imán fotografiado aplicando partículas de Fe. Regla de la mano derecha Para el caso del campo magnético creado alrededor de un conductor, el sentido de las líneas de fuerza, está determinado por la regla de la mano derecha, que establece que: “ Se toma el conductor con la mano derecha, con el pulgar en el sentido de la corriente, los restantes dedos indican el sentido de las líneas del campo magnético creado” Gráficamente: Líneas de fuerza alrededor de un conductor. PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA.En Electricidad, una carga eléctrica q es la estructura más simple que puede existir. Si dos cargas de signos contrarios se colocan uno en frente del otro, forman un Dipolo Eléctrico. En magnetismo o electromagnetismo no ocurre lo mismo, es decir, no existen polos magnéticos aislados, como en el caso de cargas eléctricas aisladas. La estructura magnética más simple, es el Dipolo Magnético, caracterizado por poseer un momentum magnético. Si se parte un imán en dos partes iguales, los fragmentos resultantes forman nuevos dipolos y no polos separados. Si descomponemos un imán en múltiples fragmentos infinitesimales, hasta llegar a sus electrones y átomos, se hallaran que estas partículas también son dipolos. Esto puede ser explicado debido a que las moléculas elementales giran sobre sí mismas dentro de sus órbitas cerradas ( Nº Spin), las que se comportan como diminutas espiras en posesión de un determinado momentum magnético. “ La unidad magnética más simple del universo es el Dipolo Magnético “. Gráficamente: Interacción de los Polos Magnéticos.Mediante la observación también se pudo determinar que la interacción entre imanes sigue un patrón dinámico con relación a los polos magnéticos, obteniéndose finalmente el siguiente enunciado: “Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos distintos se atraen.” Gráficamente: a) Campo magnético resultante con polos magnéticos distintos. b) Campo magnéticos resultante con con polos magnéticos iguales Comportamiento magnético del fierro y sus aleaciones. Para explicar el comportamiento de hierro ante los fenómenos magnéticos, se parte de la base que todos los átomos del hierro son o equivalen a pequeños imanes permanentes naturales, cada uno de ellos con sus propios polos Norte y Sur, formando así un conjunto de dipolos elementales orientados en forma aleatoria y desordenada. Este desorden de los dipolos elementales anula mutuamente la fuerza magnética de cada uno de ellos, por lo tanto, como resultante vectorial, se obtiene un trozo de hierro no magnetizado. Trozo de Fe con los dipolos elementales desordenados Si el trozo de hierro es sometido a la acción de un campo magnético externo, los dipolos elementales se orientaran en una misma dirección, debido a la interacción magnética del campo externo, de tal forma que bajo la nueva orientación aparece una fuerzas magnéticas resultantes, que crea un imán con su polo Sur y Norte respectivamente. Trozo de Fe con los dipolos elementales orientados Características magnéticas de los materiales. En forma análoga a la clasificación de los elementos según su comportamiento eléctrico, los materiales también se clasifican, según su comportamiento magnético, de acuerdo a las siguientes definiciones: 1.- Materiales Diamagnéticos.- Son aquellas sustancias en que el campo magnético de un imán o electroimán, no produce efecto alguno sobre ellos. La fuerza de atracción que experimentan, es muchísimo menor o nula con relación a su peso específico , como por ejemplo ; el agua, la plata, el cinc, el cobre , el bismuto , etc. 2.- Materiales Paramagnéticos.- Son aquellas sustancias en que el campo magnético de un imán o electroimán tiende a atraerlos pero en forma muy débil, la fuerza de atracción es muy parecida o igual al peso especifico del material, como es el caso del oxigeno liquido, el aluminio, el plomo, etc. 3.- Son aquellas sustancias en que la fuerza de atracción que ejerce un imán o electroimán sobre ellos, es mucho mayor que su peso específico, tal es el caso del hierro, níquel, cobalto, y ciertas aleaciones. Este último tipo de material también son llamados materiales Ferromagnéticos Materiales Magnéticos.- Ciclo de Histéresis.Introducción.- El ciclo de histéresis representa el comportamiento de los materiales ferromagnéticos, cuando son sometidos a la acción de un campo magnético externo variable. Si se considera un trozo de hierro, alrededor del cual se enrolla un alambre conductor formando un solenoide, ( fig. N°1 ), por el cual se hace circular una corriente variable desde un mínimo, ( 0 Volt ), a un máximo V y se miden las variables B e I se obtiene una curva como la que se muestra en la figura 2: Fig. N°1 Fig. N°2 Un fierro que se encuentre magnéticamente virgen presenta una curva de imanación como se muestra en la figura N°2, ( línea azul). A medida que la corriente crece, la curva de imanación también crece, tendiendo asintóticamente a un valor de saturación Ps. Definiciones: Punto de Saturación ( Ps).- Es el punto en el cual por mucho que crezca la corriente, la intensidad del campo magnético no puede crecer más. Este punto corresponde al punto en que los dipolos elementales del Fe están completamente alineados y no admiten más líneas de fuerza magnética. Magnetismo Remanente ( Mr) .- Es el nivel de imanación con que quedan algunos materiales ferromagnéticos cuando son sometidos a un campo magnético externo. El magnetismo remanente es transitorio, y depende exclusivamente de la calidad del fierro utilizado, el que puede durar unas pocas horas, hasta varios años. El magnetismo remanente que presentan algunos materiales , es aprovechado para la fabricación de mucho de dispositivos eléctricos de uso común , en que se utilicen imanes artificiales permanentes como es el caso de instrumentos de medición, dispositivos acústicos , dispositivos de control y comando , etc. La siguiente figura muestra la curva de Histéresis de un material que posee una remanencia magnética bastante alta. Los materiales clasificados en esta categoría son utilizados para la fabricación de imanes permanentes artificiales de diversas formas y para distintas aplicaciones. La siguiente figura muestra un material que posee un magnetismo remanente débil o bajo. La siguiente figura muestra la curva de Histéresis de un material que posee una remanencia magnética prácticamente nula. Campo Coercitivo ( Bc ).- Corresponde a la cantidad de energía eléctrica necesaria, para llevar al Magnetismo Remante ( Mr) , a cero. La energía necesaria para llevar al magnetismo remanente a cero, va a depender exclusivamente de la calidad del fierro utilizado. Los fierros utilizados para la fabricación de máquinas eléctricas deben poseer un Campo Coercitivo cercano a cero, de manera que no requieran de una energía adicional para desmagnetizar los núcleos de las máquinas. Los valores de Imanación Remanente y Campo Coercitivo son característicos para cada materia o aleación ferromagnética. Las distintas aleaciones de Fe magnético difieren ampliamente en el comportamiento del estado magnético. El acero dulce recocido se imana muy fácilmente, pero pierden la mayor parte de su imanación en pocos minutos. Al contrario, ciertos aceros duros especiales, tales como Acero al Cobalto o al Molibdeno Vanadio, pueden conservar gran parte de su magnetismo remanente. Los imanes fabricados con estos aceros especiales se denominan Imanes Permanentes. Imán Permanente.- Es aquel elemento en que los dipolos elementales permanecen orientados en forma permanente. Poseen un magnetismo remanente muy elevado, el que puede durar muchos años. Por lo mismo son utilizados para la fabricación de instrumentación, elementos de control, dispositivos de uso común, parlantes, audífonos, etc. Trozo de magnetita natural Electroimán.- Imán de herradura Diversas formas de imanes permanentes Dispositivo formado por un núcleo de fe, al cual se le enrolla un alambre conductor, por el cual se hace circular una corriente eléctrica, creando un campo magnético resultante, con sus correspondientes Polos Norte y Sur. Espectro magnético.- Es la representación espacial de las líneas de fuerza que rodean a un imán o conductor recorrido por una corriente. Se representan por líneas geométricas concéntricas para el caso de los conductores y líneas que salen del polo Norte y entran por el polo Sur, para el caso de los imanes permanentes. Ley de Ohm magnética. La Ley de Ohm magnética al igual que la Ley de Ohm eléctrica, relaciona a la cantidad o flujo de líneas de fuerza magnética que atraviesan a un núcleo en función del número de espiras de la bobina y la corriente que circula por ella. El enunciado de esta ley establece que: “ La intensidad de flujo magnético que atraviesa un núcleo de Fe , depende directamente de la Fuerza Magneto Motriz aplicada y es inversamente proporcional a la Reluctancia magnética del núcleo”. Esta ley está cuantificada de acuerdo a la siguiente relación matemática: [ Weber] Siendo : [ Amp-Vuelta ] Weber Definición: Reluctancia magnética ( R ) .- Es la oposición que presentan los materiales a ser atravesados por líneas de fuerzas magnéticas. Los materiales ferromagnéticos presenta una reluctancia magnética muy cercana a cero, es decir, son muy buenos conductores de líneas magnética. La reluctancia magnética, al igual que la Resistencia Eléctrica, depende directamente del material del núcleo y de las dimensiones físicas de él. Dónde:  L r 0 A N I R = = = = = = = = Flujo magnético que atraviesa al núcleo. Largo del núcleo. Permeabilidad magnética del núcleo. Permeabilidad magnética del aire. Sección del núcleo Numero de espiras de la bobina. Corriente que circula por la bobina. Reluctancia magnética Fuerza Magneto Motriz.- Es la fuerza que ejerce el núcleo de un electroimán cuando se alimenta su bobina de N espiras con corriente eléctrica. Es decir : FMM = N * I [ Amp-vuelta ] Finalmente: [ Weber ] Finalmente tenemos que la ley de Ohm magnética, queda definida según la siguiente expresión matemática.  = FMM R [ Weber ]  = N*I R [ Weber ] Dónde:  FMM R = Intensidad del campo magnético. = Fuerza Magneto Motriz = Reluctancia magnética. Inducción Electromagnética.Introducción.Consideremos un imán recto en la cercanía de un solenoide cuyos extremos están conectados a un instrumento de medición de cero central. Si procedemos a mover el imán hacia el solenoide en dirección de su eje de simetría, observamos que el instrumento acusa la circulación de una corriente en un determinado sentido. Ahora si alejamos el imán, se observa que la corriente mostrada en el instrumento, cambia de sentido, como se indica en el siguiente diagrama: Mientras imán esta en reposo, alejado su polo norte, ( o sur ), del solenoide, la aguja del instrumento no se desvía, lo que indica que no hay circulación de corriente. Al acercarse el imán, al solenoide, el instrumento acusa un paso de corriente de sentido tal, que el solenoide crea un campo magnético en dirección contraria al del imán. Cuando este se detiene dentro del solenoide, el instrumento vuelve a marcar corriente cero. Finalmente al alejarse el imán del solenoide, el instrumento vuelve a acusar una circulación de corriente, pero en sentido contrario al inicial, o sea, el solenoide crea ahora un campo magnético en la misma dirección que el del imán, completando así un ciclo de funcionamiento. Inducción Electromagnética.Definición.- Es la creación de una corriente eléctrica en un solenoide o bobina, debido a una variación de un campo magnético. Como es sabido, cuando por una bobina circula una corriente eléctrica, ésta crea un campo magnético a su alrededor. Ahora bien, si consideramos dos solenoides colocados frente a frente y los extremos de uno de ellos conectado a un instrumento de medición, y los extremos del otro conectado a una fuente o batería a través de un interruptor, como se indica en la siguiente figura: Al cerrar el interruptor S, se produce una corriente de muy corta duración en la bobina Nº1, de sentido tal, que el campo creado se opone al creado en la bobina Nº 2, pasado algún instante, la corriente en la bobina Nº1 vuelve a cero, aunque el interruptor S permanezca cerrado. Cuando se abre el interruptor, vuelve a producirse una corriente en la bobina Nº 1 pero de sentido contrario al caso anterior, es decir, el campo que se crea es del mismo sentido que el que crea la bobina Nº 2. En este ejemplo no existe movimiento de las bobinas, como en el caso anterior, en que existía una bobina fija y un imán móvil. Esto indica que la corriente inducida no tiene relación directa con el movimiento, lo que lleva a enunciar la segunda ley del electromagnetismo, como se enuncia a continuación: 2º Ley : “ Se producirá corriente inducida , mientras exista una variación de flujo magnético, el sentido de esta corriente será tal, que el flujo que produce se opone al flujo que lo origina”. Corrientes de FOUCAULT.Las Corrientes de Foucault, son corrientes inducidas que se producen en bloques metálicos cuando hay variación de flujo. Se cierran sobre sí mismas formando anillos de corrientes en cortocircuitos. Estas corrientes dependen de la calidad y densidad del fierro utilizados en los núcleos de las maquina eléctricas. Por ser corrientes inducidas son aplicables todas la propiedades de dichas corrientes. Las corrientes de Foucault son perjudiciales ya que ocasionan perdidas de energía en forma de calor, ( ley de Joule ), y perdidas magnéticas por saturación magnética y efectos de bordes. Las corrientes de Foucault también son llamadas Corrientes Parásitas. La figura a) muestra en forma esquemática las corrientes de Foucault producidas en un núcleo de Fe macizo. Una manera de disminuir el efecto indeseado de las corrientes parásitas es construyendo bloque o núcleos con material ferromagnético laminado cuyos planos sean perpendiculares a las corrientes , de manera de disminuir las parásitas , como se observa en la figura b) : Figura a) Núcleo de Fe magnético macizo con corrientes parásitas fuertes. Las corrientes inducidas se cierran en anillos en cortocircuitos con gran recorrido a través de todo el núcleo generando grandes pérdidas. Figura b) Al fabricar el núcleo en forma laminar las corrientes parásitas son disminuidas, ya que los anillos de corrientes se cierran sobre sí mismas en caminos mucho más cortos y los efectos que producen tienden a anularse entre sí.