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MAGNETISMO Y ELECTROIMANES
El magnetismo 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. 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.
Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el
flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. En 1819,
el físico danés Hans Christian Orsted descubrió que una corriente eléctrica que circula por
un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una
brújula. Basado en sus observaciones, el físico estadounidense Joseph Henry inventó el
electroimán en 1825.
El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado.
Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando
además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide.
Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de
material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce o ferrita, aunque
también se utiliza el llamado acero eléctrico) dentro de la bobina. El núcleo concentra el
campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.
La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo
magnético puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad
de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica
para mantener el campo.
Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del
material, llamadas dominios magnéticos, se alinean con el campo aplicado, haciendo que
la fuerza del campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios
terminarán alineándose, condición que se denomina saturación. Cuando el núcleo se
satura, un mayor aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente
pequeño del campo magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden
realinearse por sí mismos. En este caso, parte del campo magnético original persistirá
incluso después de que se retire la corriente, haciendo que el núcleo se comporte como
un imán permanente. Este fenómeno, llamado remanencia, se debe a la histéresis del
material (La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades,
en ausencia del estímulo que la ha generado). Aplicar una corriente alterna decreciente a
la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su punto de
Curie reorientará los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.
GENERADORES
La obtención de energía eléctrica se puede producir de varias formas, por frotamiento,
presión, luz, acción de campos magnéticos, reacciones químicas,… Los métodos más
utilizados son los dos últimos.
El uso de la energía química para la producción de energía eléctrica se da en las pilas.
Ciertas sustancias naturales tienen la propiedad
de generar corriente eléctrica en su interior
gracias a la reacción química que se produce
entre sus componentes. Si tomamos varios
limones y unas chapas de cobre y cinc podremos
fabricar una pila de voltaje muy bajo, se trata de
una pila muy básica.
Las pilas y baterías comerciales son generadores
químicos de energía eléctrica que utilizan
elementos capaces de desarrollar un flujo de
electrones más intenso.
¿Cómo funciona una pila? Para analizar su
funcionamiento imaginemos que estamos en el
interior de una pila, observamos
que hay una zona en la que existe
gran acumulación de electrones
(polo negativo) y el otro extremo
una menor cantidad de electrones
(polo positivo). Si conectamos un
receptor (motor) entre los dos
terminales de la pila vemos que los
electrones comienzan a circular del
borne negativo al borne positivo
provocando un desplazamiento de
los electrones que al atravesar el
motor producen su movimiento. Los
electrones llegan al polo positivo
donde se acumulan, la pila posee la
capacidad
interna
de
ir
“desplazando” los electrones que llegan al polo positivo al polo negativo. ¿Por qué se
gastan las pilas? Este transvase interno de electrones se repite muchas veces hasta que
esta capacidad interna se va debilitando y ya no puede llevarse a cabo el transvase.
La mayoría de las pilas están fabricadas con metales pesados y por tanto, pueden ser
muy contaminantes. Las pilas de tipo botón son las más contaminantes de todas por
utilizar mercurio. El mercurio es un veneno muy activo que filtra hacia las aguas
subterráneas y desde aquí pasa a los animales pudiendo ser la causa de graves
enfermedades, NUNCA tires las pilas a la basura recíclalas en los contenedores
existentes para ello o en comercios encargados de recogerlas.
Hans Christian Oesterd, observó, mediante un experimento que la aguja de una brújula
situada cerca de una corriente eléctrica se desviaba. Esto le llevó a una conclusión muy
sencilla: La corriente eléctrica pasando a través de un conductor actúa como un imán.
¿Quieres comprobarlo? Enrolla un cable alrededor de una brújula y después conéctalo a
una pila, verás cómo se mueve la aguja.
Este efecto también podemos observarlo en el siguiente experimento, tomamos un papel
y practicamos un orificio para el paso de un cable, en el papel situamos limaduras de
hierro y conectamos el cable a una pila, podemos observar como la disposición de las
limaduras ala pasar la corriente eléctrica es similar a la que formarían ante la presencia de
un imán.
Michael Faraday (1791-1867) se enteró del experimento de Oesterd y se le ocurrió la
siguiente idea: ¿es posible que el movimiento de un imán genere corriente eléctrica? Para
comprobar esta hipótesis construyó una bobina, arrollamiento de un cable conductor y
situó un imán en su interior. Produjo el movimiento de uno respecto al otro y observó que
se generaba un flujo eléctrico, a este fenómeno lo denominó inducción magnética, base
del funcionamiento de las dinamos o generadores.
Si enrollamos un cable alrededor de un hierro (un tornillo, varillas,…) tendremos una
bobina mucho más potente ya que el hierro facilita la circulación del campo magnético por
el interior de la bobina. Este diseño se denomina electroimán y tiene múltiples
aplicaciones, timbres, grúa industrial, etc.
Los alternadores y los dinamos son máquinas eléctricas que transforman la energía
mecánica de rotación, que reciben a través de su eje en energía eléctrica alterna y
continua respectivamente.
El alternador.- Cuando un conductor se desplaza a través de un campo magnético se
genera en este una corriente eléctrica inducida. Si el cable utilizado para moverlo con
mayor facilidad tiene forma de espira, se inducirá en esta una tensión que irá oscilando
(alternado) entre unos valores máximos y mínimo que incluso irán cambiando de giro. Se
genera una corriente alterna.
El alternador consta de dos partes, el rotor y el estator. El rotor es un elemento cilíndrico
provisto de electroimanes situado en el interior del estator capaz de girar alrededor de su
eje cuando éste es impulsado por la acción de una fuerza.
El estator es la carcasa metálica fija en cuyo interior se aloja el rotor sobre el que se
arrolla un hilo conductor.
El dinamo y el motor.- Empleando un imán y una espira con unos anillos colectores es
posible generar corriente eléctrica alterna, si sustituimos los anillos colectores por un solo
anillo dividido en dos partes aisladas entre sí tendremos un dinamo. En este caso la
corriente circula en un solo sentido, corriente continúa. El dinamo es una máquina
reversible puede trabajar como generador o como motor. Como generador transforma la
energía mecánica en energía eléctrica y como motor transforma la energía eléctrica
mecánica de rotación.