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Escuela de Ingeniería
Asignatura: Física (FIS2301)
Facilitador: Dr. José Carlos León Ortega
Santa Cruz – Bolivia, 2012
Escuela de Ingeniería
Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
En la antigua Grecia, por los años 500 a.C. los pobladores de una región llamada
Magnesia (aproximadamente donde hoy se encuentra Turquía, se dieron cuenta que
determinadas piedras extraídas de unas cuevas se atraían y se repelían entre ellas.
Estas piedras estaban hechas de magnetita y tenían una fuerte atracción hacia el
hierro.
Durante muchos siglos se le dio un origen divino a estos fenómenos, pero no fue sino
hasta el siglo XIX cuando la relación entre la electricidad y el magnetismo quedó
plasmada, pasando ambos campos de ser diferenciados a formar el cuerpo de lo que
se conoce como electromagnetismo.
Uno de los primeros que intentó dar una explicación científica al
fenómeno fue William Gilbert, Físico Ingles (1544 – 1603).
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Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
William Gilbert le dio una explicación de naturaleza magnética al fenómeno, pero no
obtuvo ecuaciones.
No fue hasta el año 1820 que un profesor de ciencias poco conocido de la Universidad de
Copenhague, Dinamarca, Hans Christian Oersted, realizó trabajos en el magnetismo y
los campos magnéticos.
Todos habremos notado que los imanes son materiales que
atraen con mucha fuerza a otros metales y a otros imanes.
Poseen dos polos: Norte (N) y Sur (S). Después se verá el por
qué de dichos nombres.
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Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
Ley de los Polos Magnéticos
Es análoga a la Lay de las Cargas.
“Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos
diferentes se atraen”
Los polos magnéticos no son separables, siempre que existe
un N, existirá un S a su lado.
Imaginemos que queremos dividir un imán sucesivamente hasta
niveles atómicos.
Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce" sus dos polos. Si ahora volvemos a
partir otra vez en dos, nuevamente tendremos cada trozo con dos polos norte y sur
diferenciados. En magnetismo no existen los monopolos magnéticos.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Campo Magnético (B)
La acción a distancia de los polos magnéticos se debe a la
existencia del campo magnético.
Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético se
caracteriza por tener líneas de campo que se extienden por el
espacio.
Siempre dichas líneas salen del polo N y entran en el S.
Campos magnéticos de un imán recto, un imán tipo herradura y
dos polos N enfrentados.
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Campo Magnético (B)
Líneas mostrando el campo magnético de un imán de barra, producidas por
limaduras de hierro sobre papel.
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Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
Fuentes de campo magnético
Está claro que la fuente más fácil para producir un campo B es un imán. Sin
embargo, no podemos regular o controlar la intensidad de dicho campo en estos
casos.
Oersted descubrió que alrededor de todo conductor con
corriente eléctrica se produce un campo magnético.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Fuentes de campo magnético
Para determinar el sentido de rotación del campo B alrededor del conductor con
corriente, se emplea la Regla de la Mano Derecha:
Donde μ es la permeabilidad magnética del medio (característica del medio en
permitir que el campo B se extienda en él). En el vacío:
-7
μo = 4p·10 T m/A
Obsérvese que el campo B depende de la intensidad de la corriente I.
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Fuentes de campo magnético
Unidades del campo B.
B [ T ] (Tesla)
[ G ] (Gauss)
Espira con corriente.
Con la espira se
obtienen campos B
3 veces mayores.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Fuentes de campo magnético
Solenoide o bobina.
Es una sucesión de espiras unas al lado de las otras.
Campo B del solenoide.
Los campos magnéticos de cada espira se
superponen para formar un único campo B.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Fuentes de campo magnético
Campo B del solenoide (en su interior).
Donde:
N: número de espiras
L: largo del solenoide
r: radio del solenoide
Nótese que ahora el campo B aumenta con el numero
de vueltas y la corriente I
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Fuentes de campo magnético
Alambre recto con corriente:
Espira con corriente.
Campo B del solenoide (en su interior).
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Geometría del inductor:
Consiste en un enrollado
en
una
formaleta
generalmente cilíndrica.
La unidad de medida de
L es el Henrio (H) en
honor a Joseph Henry
(1799-1878).
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El
parámetro
que
caracteriza al inductor es
la inductancia “L”
Múltiplos
Submúltiplos
No se usan H mH uH
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Parámetros geométricos del inductor:
Tipos de núcleos:
largo (L)
diámetro (d)
número de vueltas (N)
Aire
Hierros
Ferritas
La inductancia “L” depende del número de vueltas, del diámetro de las espiras, del
largo de la bobina y del tipo de núcleo. Al introducirle un núcleo se aumenta la μ y
con ello se multiplica el campo B.
Representación circuital del inductor:
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Composición aproximada
Material
Tipos de núcleos
usados
en
la
industria:
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Fe
Ni
Co
Mo
Otros
Permeabilida
d
Acero laminado en frío
98.5
---
---
---
---
2,000
Hierro
99.91 ---
---
---
---
5,000
Hierro purificado
99.95 ---
---
---
---
180,000
Hierro al 4% silicio
96
---
---
---
4 Si
7,000
45 Permalloy
54.7
45
---
---
---
25,000
Permalloy 45
54.7
45
---
---
---
50,000
Hipernik
50
50
---
---
---
70,000
Monimax
---
---
---
---
---
35,000
Sinimax
---
---
---
---
---
35,000
Permalloy 78
21.2
78.5 ---
---
0.3 Mn
100,000
Permalloy 4-79
16.7
79
---
4
0.3 Mn
100,000
Mu metal
18
---
---
---
---
100,000
Supermalloy
15.7
79
---
4.3
---
800,000
Permendur
49.7
79.0 ---
05.0
---
5,000
Permendur 2V
49
---
---
---
---
4,500
Hiperco
64
---
---
---
---
10,000
Permalloy 2-81
17
---
---
---
---
130
Hierro Carbonyl
99.9
---
---
---
---
132
Ferroxcube III
---
---
---
---
---
1,500
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Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
Al introducir un núcleo el campo B aumenta
significativamente.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Distintos tipos de inductores. Obsérvese sus formas.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Medición de inductores.
El inductimetro.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Cálculo de la inductancia de un inductor.
Fórmula de Wheeler.
(bobina monocapa)
N: número de vueltas
d: diámetro en mm
L: largo en mm
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Cálculo de la inductancia de un inductor.
Ejemplo:
N=7
d= 10 mm
L= 100 mm
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L = 0,5 uH
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Tipos de núcleos.
Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material plástico, cartón, etc.
Poseen muy bajo valor de inductancia. (desde menos de 1 uH hasta decenas de uH)
Núcleo de hierro: aumenta el valor de la inductancia. Sólo se emplea en bajas
frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones: fuentes
de alimentación y amplificadores de audio. Poseen valores de mH.
Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos. Poseen grandes valores
de inductancias. Se emplean en radiofrecuencias. Poseen valores de entre uH y mH.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Aplicaciones de los inductores:
Bloquear el paso de la CA: bloquear (“choke” en inglés) el paso de CA o
radiofrecuencia en circuitos de CC.
Transformadores: constituyen las bobinas de los transformadores.
Filtros: para seleccionar el paso de determinadas frecuencias y bloquear otras.
En circuitos de sintonías: junto con un capacitor forman un circuito LC que permite la
sintonía de frecuencias.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Tipos de inductores:
Solenoides: son estructuras más alargadas que anchas. Pueden o no tener varias
capas de enrollados.
Solenoides con núcleo de aire
Solenoides con núcleo de ferrita.
(Pueden llegar hasta decenas de mH)
Se emplean en aplicaciones generales, filtros, convertidores DC/DC, etc.
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Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
Tipos de inductores:
Toroides: son estructuras circulares, su enrollado se presentan en forma de lanzaderas. El
campo magnético se confina en su estructura por lo que tienen altos valores de
inductancia.
Toroide típico. Puede llegar a decenas de mH. Se
emplean
en
fuentes
de
alimentación,
transformadores, acopladores de RF, etc.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Tipos de inductores:
Encapsulados: son estructuras encapsuladas en
cerámicas. Sus valores de inductancia son pequeños, del
orden de decenas a centenares de uH. Tienen
aplicaciones en equipos de radio, en las etapas de
osciladores y filtros de RF.
Chips: son estructuras encapsuladas en chips. Sus
valores de inductancia son pequeños, del orden de 1mH.
Tienen aplicaciones generales.
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Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
Tipos de inductores:
Variables: poseen un núcleo que entra y sale del
enrollado lo que permite varias su valor de inductancia.
Estos valores pueden estar entre 100 uH y decenas de
mH. Se emplean en etapas sintonizadas de RF,
osciladores y circuitos de RF como transmisores y
receptores
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Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Ejemplos de inductores:
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Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo
magnético. Campo magnético de un solenoide.
Materiales magnéticos
Los materiales se clasifican de acuerdo a como respondan frente a un imán:
Materiales ferromagnéticos: Son atraídos fuertemente por un imán. (hierro (Fe),
cobalto (Co), níquel (Ni), acero )
Materiales paramagnéticos: Son atraídos débilmente por un imán. (aire, aluminio
(Al), calcio (Ca), platino (Pl), magnesio (Mg), paladio (Pd) )
Materiales diamagnéticos: Son repelidos débilmente por un imán. (cobre (Cu),
bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), estaño (Sn), zinc (Zn), agua.)
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Materiales magnéticos
Teoría de los dominios de Webber.
Cada electrón que orbita al núcleo constituye una
corriente eléctrica. Por ello, tiene asociado un campo B.
Ahora bien, cada campo B de cada electrón interactúa con los campos B de sus
vecinos. Por ello, los electrones se reorganizan en sus órbitas y cada átomo
tendrá un campo B resultante.
Es de razonar entonces que cada campo B en cada átomo interactúa con los
campos B de los átomos vecinos, formándose entonces colonias de átomos de
campo B promedio. A estas colonias se les denomina “dominios magnéticos”.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Materiales magnéticos
Teoría de los dominios de Webber.
Dominios magnéticos.
Cada región del dominio se caracteriza por tener un campo B promedio en una
dirección específica del espacio.
Cabe preguntarse ahora, ¿cómo responden
estructuras de los dominios magnéticos en
materiales
ferromagnéticos,
paramagnéticos
diamagnéticos al estar en presencia de un imán?
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las
los
y
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Materiales magnéticos
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales ferromagnéticos. Estos reorientan
muy fácilmente sus dominios en presencia de un
campo B exterior. Una vez reorientados, se
comportan como in imán.
Las fronteras de los dominios se agrandan.
Al quitar el campo B externo, vuelve a
recobrarse parcial o totalmente la situación
inicial.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Materiales magnéticos
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales
ferromagnéticos.
En
presencia de un campo externo, sus
dominios se alinean con las líneas de
fuerza
del
campo
externo,
comportándose como un imán, por
eso son atraídos por éstos.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Materiales magnéticos
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales
paramagnéticos.
En
presencia de un campo externo,
algunos de sus dominios se alinean
con las líneas de fuerza del campo
externo, comportándose como un
imán débil y por eso son atraídos
débilmente por éstos.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Materiales magnéticos
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales
diamagnéticos.
En
presencia de un campo externo,
algunos de sus dominios se alinean
en contra de las líneas de fuerza del
campo externo, comportándose como
un imán débil y por eso son repelidos
débilmente por éstos.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Materiales magnéticos
PREGUNTA: ¿Cómo se puede determinar si un metal es ferromagnético o no?
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Campo magnético terrestre.
La Tierra, al igual que otros planetas, incluso el Sol, tiene
un campo magnético a su alrededor.
El polo N está muy cercano al polo Norte geográfico y el
polo S muy cercano al Sur geográfico. (inclinación de 11
grados).
De ahí los nombres de los polos magnéticos.
La aplicación más inmediata que tuvo este fenómeno fue la
orientación mediante la brújula.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Campo magnético terrestre.
Hay hipótesis que establecen que el origen de dicho campo
es el núcleo de la Tierra que esta en movimiento y forma
corrientes eléctricas en remolino.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Campo magnético terrestre.
En los polos es más intenso que en el ecuador.
De ahí las auroras boreales.
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magnético. Campo magnético de un solenoide.
Campo magnético terrestre.
El campo magnético terrestre es afectado por las
exposiciones solares y el “viento solar” que este emite en
cada exposición. Tiene consecuencias graves en las
telecomunicaciones.
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Fin de la Sesión
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