CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Electrotecnia para aplicaciones industriales


MAGNETISMO

Generalidades.

Más de veinte siglos atrás, se descubrió un mineral llamado magnetita. Los antiguos lo llamaron "piedra imán", Tenía la peculiar propiedad de atraer pequeñas partículas de hierro. Si bien este fenómeno no fue comprendido, se lo atribuyó a un efecto invisible llamado magnetismo, denominación que proviene de Magnesia, lugar de la antigua Grecia donde fue hallada la piedra. A la piedra imán, con el tiempo se le dio el nombre de imán.

Por un largo tiempo el imán fue considerado como una curiosidad. Posteriormente se descubrió que si se suspendía horizontalmente una piedra imán de forma tal que pueda girar libremente, un extremo siempre apunta al Sur, mientras el otro apunta al Norte. Este fue el nacimiento de la brújula, elemento valioso para los navegantes y viajeros. Tiempo más tarde, se comprobó que también la Tierra se comportaba como un imán gigantesco; también se descubrió que la interacción entre los efectos magnéticos del imán y los de la Tierra eran los que producían la declinación de la brújula. Se concluyó que los llamados "efectos magnéticos" eran el resultado de energía magnética -el magnetismo considerado como una forma de energía que podía producir trabajo. También se comenzó a relacionar magnetismo y electricidad. Se descubrió que los efectos asociados con imanes podían producir corrientes eléctricas en los alambres y que la corriente eléctrica daba nacimiento a fenómenos magnéticos.

Hemos definido a la materia y a la electricidad, como "agentes físicos", teniéndo, ambos una existencia real pero con diferente manifestación, pues la primera se puede constatar por su sola existencia, mientras que la segunda, sólo por sus efectos.

Otro agente físico que guarda cierta similitud con la electricidad, y que aparece muchas veces íntimamente ligado a ella, es el "magnetismo", cuya existencia también se conoce únicamente por sus efectos. Las primeras observaciones se apoyaban en la propiedad de ciertas substancias de atraer pequeñas partículas de hierro. Tales cuerpos se denominaron: "imanes", y se los encontraba en estado natural; posteriormente se comprobó que un trozo de hierro podía adquirir esa propiedad, que se llamó: magnética, y al proceso: "imantación": Los imanes no son otra cosa que trozos de óxido de hierro (Fe3O4) o magnetita, como se le llamó al conocer sus propiedades.

5i se corta a un imán en varios trozos, se observa que todos ellos conservan las características magnéticas, por lo que se comprendió enseguida que el magnetismo estaba ligado a la estructura íntima de la materia. Luego, al comprobar que un pedazo de hierro podía adquirir magnetismo por simple frotamiento con un imán, permitió deducir que tal propiedad estaba en estado latente en la substancia, y que la imantación no era otra cosa que ponerla de mamfiesto.

Imanes.

Los imanes naturales presentan características muy irregulares por lo que todas las experiencias se realizan con imanes artificiales, que son barras de hierro imantadas.

La primera experiencia consiste en acercar un extremo de la barra imantada a un montón de limaduras de hierro, notándose que quedan adheridas una cantidad de ellas. Si se hace lo mismo con el otro extremo, también quedarán en él un montón de partículas, pero no pasa esto con la parte central de la barra. Quiere decir que introduciendo el imán en las limaduras, se notará que presenta, al sacarlo, el aspecto de la figura siguiente.

Las partlculas de hierro son livianas, pero por más que lo sean cada una de ellas es una entidad física y tiene peso. Este fenómeno asociado con el imán, nos permite realizar la observación de dos condiciones: primero, existe el magnetismo fuera del cuerpo físico del imán; segundo, el magnetismo es una forma de energía, como lo demuestra el trabajo realizado por las partículas de hierro que se levantan venciendo la fuerza de gravedad.

Figura : barra imantada y limaduras de hierro

 

Por tal motivo, se dice que las propiedades magnéticas se presentan en los extremos del imán, a los que se denomina: "polos" y no en la parte central o "zona neutra". Todo imán tiene, entonces, dos polos.

La energía magnética no produce normalmente efectos en los sentidos humanos. El área de los más potentes imanes está rodeada de energía magnética, pero ésta no se puede ver, oler, gustar, oir, o palpar. Reconocemos su presencia por sus efectos -electos magnéticos. La energía magnética puede realizar gran cantidad de trabajos. Puede convertir en imán cualquier material magnetizable, puede levantar objetos muy pesados de material magnetizable; puede ejercer fuerzas mecánicas sobre otros imanes; contribuye a la generación de f.e.m. por medios mecánicos; y tiene además muchas otras apliraciones.

Si se suspenden dos imanes por la parte central mediante un hilo, y se los coloca próximos, se verá que según cuales extremos se acerquen, se atraen o se rechazan. Esto dice que los dos polos tienen distintas características, por lo que se les dió distinto nombre: sur a uno y norte al otro. Al estar suspendido, un imán se orienta en una dirección bien definida, que es la que corresponde aproximadamente a un meridiano terrestre, es decir, que un polo señalará hacia el norte geográfico y el otro hacia el sud. Esto es debido a que el globo terrestre tiene propiedades magnéticas, y sus polos geográficos son también polos magnéticos del enorme imán que él constituye. Al polo del imán que señala el norte terrestre, se le hace corresponder la denominación: norte, y al otro la de sud.

Una vez que tenemos el imán con sus polos señalados, veremas que la atracción o repulsión se opera cuando difieren o coinciden las polaridades, respectivamente. De modo que:

  • polos del mismo nombre se repelen,
  • los de distinto nombre se atraen,

fácil de comprobar ésto por vía experimental.

De resultas de estas consideraciones, vemos que el polo norte de la tierra, al atraer a los polos norte de los imanes, es, en realidad, el polo sur magnético del imán terrestre, y, viceversa, el polo sur geográfico, es el norte magnetico. Lo lógico hubiera sido cambiar la designación ya sea a los polos de los imanes o a los de la tierra, pero la costumbre ha dejado ese estado de cosas, puramente convencional, de modo que hay que aceptar que el polo geográfico es contrario al magnético que coincide con el en ubicación.

En tal forma, los polos de la tierra atraen a los de los imanes de igual nombre.

Una aplicación inmediata de esto lo constituyen las brújulas, dispositivos que sirven para orientarse en cualquier parte de la superficie terrestre; son pequeños imanes, apoyados en un eje que les permite girar. Tienen indicado su polo norte, de modo que dicho extremo señala siempre el rumbo norte de la tierra. La brújula se utiliza también en numerosas experiencias de laboratorio, para comprobar la existencia de magnetismo en cualquier zona del espacio, lo que se evidencia cuando su aguja imantada cambia de posición. Está claro que si los polos que hay en la zona donde se coloca la brújula coinciden en dirección con los del meridiano terrestre, la brújula no se moverá.

¿Cómo se explica el magnetismo? Los detalles no son exactamente conocidos pero sus fenómenos están asociados con los electrones en los átomos, con los que están formadas las sustancias magnéticas. Se supone que estos átomos se comportan como pequeños imanes o "dipolos magnéticos", teniendo cada uno de ellos un polo Norte y uno Sud. Presumiblemente cada átomo contribuye con una cierta cantidad de magnetismo, algunos más y otros menos. Cuando un material magnetizable está en estado de no magnetizado, los pequeños imanes atómicos están orientados en forma desordenada, es decir que sus polos apuntan en todas direcciones. Cuando una sustancia contiene imanes atómicos desorientados, se supone que los efectos de un átomo anulan los de otro. Así el material no presenta ningun efecto magnético.

El proceso de "inducir" el magnetismo, es el de reorientar los imanes atómicos desordenados, de forma tal que se agrupen en líneas horizontales respecto de sus polos -el polo Norte de un imán junto al Sud del siguiente. Cada línea de imanes atómicos forma un imán extremadamente delgado, y el conjunto de todas las láminas imantadas superpuestas, forma el imán con un polo Norte común y Sud en el otro extremo. Esta teoría permite explicar por qué es posible cortar un imán permanente en cualquier número de partes, y cada una de ellas sigue siendo un imán con polo N y otro S. Cuando un material "pierde" su magnetismo, los imanes atómicos destruyen su ordenación y se reordenan en todos los sentidos. En el imán permanente, la ordenación de los imanes atómicos puede perderse por choques o por temperaturas elevadas.

Si se toma una barra de hierro imantada (imán artificial), y se la corta en trozos (ver figura siguiente) aparecen en las caras del corte polos de signo contrario, de manera que cada trozo forma un nuevo imán.

Figura : barra imantada en trozos

Materiales magnéticos y no magnéticos

Los materiales magnéticos se pueden magnetizar y a su vez atraen hierro y algunos otros metales. La mayoría de los materiales magnéticos están formados por hierro o aleaciones especiales tales cqmo el alnico, que contiene aluminio, níquel y cobalto. Algunas "cerámicas" recientemente descubiertas, permiten realizar imanes excelentes, tal como el Indox que contiene óxido de bario y Vectolite, un compuesto de hierro. Los imanes temporarios se hacen de hierro. Se comportan como imanes solamente cuando se hallan bajo la influencia de una fuerza magnetizante. El hierro pierde sus propiedades magnéticas inmediatamente después que se elimina la fuerza magnetizadora. El acero y sus aleaciones, por otro lado, se convierten fácilmente en imanes permanentes, es decir, imanes que conservan sus propiedades indefinidamente.

En contraste con la poca cantidad de materiales magnéticos, hay muchos que son no magnéticos; estos materiales no pueden ser magnetizados. Para nuestros propósitos sólo necesitamos mencionar unos pocos: vidrio, papel, goma, plásticos, algodón, estaño y cobre. Si bien los materiales no magnéticos no pueden ser magnetizados, la energía magnética puede pasar a través de ellos, es decir, son completamente "transparentes" a esta forma de energía. Los materiales magnéticos pueden ser penetrados por la energía del imán, pero una vez dentro de la sustancia, la energía usa al material como un camino preferido, por largo que éste sea, en vez de salir y atravesar el aire u materiales no magnéticos. Es esta propiedad que hace al hierro dulce un "blindaje" excelente para aislar cualquier objeto de un campo magnético.

 

Masa magnética

Dijimos que todo agente físico admite ser agrupado en porciones o cantidades. La materia que forma una substancia representa una cantidad, que es la masa. Así también, la masa eléctrica era la cantidad de electricidad o cantidad de electrones.

El magnetismo también debe admitir el concepto de masa. Así, la cantidad de magnetismo que hay en una substancia será la masa magnética de la misma. En los imanes, la masa aparece como concentrada en los polos, y en igual cantidad en ambos. La cantidad de magnetismo o tasa magnética puede ser apreciada por los efectos que produce, pues si un polo magnético atrae a un corpúsculo de hierro con cierta fuerza, y otro polo lo atrae con fuerza mayor, es porque la masa magnética del segundo es mayor que la del primero.

La magnitud de las fuerzas que se ponen en juego está dada, igual que para la electricidad, por leyes perfectamente determinadas. Veremos así desfilar conceptos muy similares a los ya estudiados en, pues gran parte de las leyes que rigen el campo eléctrico pueden ser extendidas al magnético.

Campo magnético.

Temas relacionados :

Una partícula de hierro puesta en las proximidades de un polo magnético, está sometida a una fuerza de atracción dirigida hacia el polo. Variando la posición de la partícula, siempre encontraremos aplicada, a ella una fuerza.

La región del espacio, donde se manifiesta el efecto del polo se denomina campo magnético, en forma enteramente similar al campo eléctrico.

Si colocamos próximas dos masas magnéticas (ver figura siguiente), entre ellas se ejercerá una fuerza de atracción, si son polos de distinto nombre, y de repulsión si coinciden sus polaridades.

El valor de esa fuerza depende de las masas magnéticas de los polos y de la distancia a que se hallen uno de otro. La dependencia está dada por la ley de Coulomb, que también rige las acciones de las cargas dentro de los campos eléctricos.

en la que m1 y m2 son los valores de las masas magnéticas y d es la distancia (cm). La fuerza se obtiene en dinas. Para reducirla a gramos se divide por 981.

De modo que la fuerza de atracción o repulsión entre dos masas magnéticas es proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. De aquí podemos definir la unidad de masa magnética, puesto que si colocamos dos polos de igual masa a la distancia de un centímetro y se repelen o atraen con la fuerza de una dina, es porque sus masas valen uno. Resulta que la unidad de masa magnética es aquella que atrae o repele a otra igual, distante un centímetro, con la fuerza de una dina. Hay que convenir que el campo magnético en el cual se considera sumergidas a las dos masas debe ser un medio indiferente al magnetismo, ya que hay algunos materiales que tienen influencia perturbadora . Puede suponerse que el campo se desarrolla en el aire.

Líneas de fuerza.

¿Cómo se representa la energía alrededor de un imán? Michel Faraday introdujo el concepto de que la región en todas las direcciones alrededor de un imán es una "zona de influencia magnética", es decir, está ocupada por un "campo de fuerza magnética, invisible", o simplemente, "campo magnético", Cualquier objeto magnetizable colocado dentro del campo magnético, se convierte en un imán temporario o permanente, dependiendo del material por la energía contenida en el campo.

Con el mismo criterio utilizado para describir el campo eléctrico, imaginemos un corpúsculo de hierro dentro del campo magnético producido por un polo. Las fuerzas del campo obrarán sobre él, y será llevado hacia el polo. La trayectoria seguida por el corpúsculo es una línea, cuya configuración depende del campo, pues puede haber un solo polo a considerar, o varíos. Esa línea es lo que se denomina: linea de fuerza.

Como en cualquier otro punto del campo que coloquemos el corpúsculo también será impelido por las fuerzas del campo, se entiende que habrá muchas de esas líneas imaginarias.

Convencionalmente se asigna un sentido a las líneas de fuerza, que es saliente para el polo norte y entrante para el sud. Esto coincide con la convención hecha para el campo eléctrico, en el que se las consideraba salientes para las cargas positivas y entrantes para las negativas.

Podemos entonces imaginar al campo magnético formado por una serie de líneas de fuerza que salen de los polos norte y se dirigen a los polos sud. El valor de la fuerza en cada punto está dado por la ley de Coulomb.

Sin embargo, conviene aclarar que, pese a la gran analogía, hay una diferencia marcada entre los campos eléctricos y magnéticos, y es que, mientras en el primero se puede conseguir una carga aislada de un solo signo, por ejemplo positiva, obtenida por influencia, en el magnetismo es imposible. En efecto, vimos que un imán puede ser cortado en trozos, pero siempre se forman nuevos imanes, cada uno de los cuales tiene sus dos polos, norte y sud, y es imposible quitarle a uno de ellos sus propiedades magnéticas sin que desaparezcan al mismo tiempo en el otro.

Esta conclusión habla de una naturaleza distinta de electricidad y magnetismo, pues todo sucede como si las cargas eléctricas pudieran ser separadas perfectamente en grupos de dos signos distintos, y luego independizar los grupos, mientras que las masas magnéticas, si bien se manifiestan separadas, no son independientes, pues la existencia de un polo norte implica, forzosamente, la de un polo sur de igual masa. Debido a estas consideraciones, la representación del campo magnético no será igual a la del eléctrico, pues en éste podíamos suponer cargas aisladas. Es común considerar, en el magnético, solamente la configuración del campo entre las dos masas polares de un mismo imán, que se puede ver en la figura siguiente. Nótese la similitud con el campo de dos cargas de signo opuesto, en el campo eléctrico.

Figura : líneas de fuerza de campo magnético.

Podemos colocar una tarjeta sobre un imán y espolvorear sobre ésta limaduras de hierro, Si golpeamos suavemente la tarjeta, las partículas de hierro se distribuyen por sus propios medios siguiendo las líneas del campo, como puede verse en la figura anterior. Este "espectro" indica la distribución de las lineas de fuerza.

 

Es fácil obtener una configuración visible del campo magnético, esparciendo limaduras de hierro sobre un papel y colocando debajo del mismo un imán. La limaduras se dispondrán siguiendo las líneas de la figura arriba.

Intensidad de campo magnético.

La definición de intensidad de campo es la misma que se dió para el campo eléctrico, pero substituyendo el agente: carga eléctrica por el: masa magnética. En efecto, la intensidad del campo magnético en un punto del mismo, está dada por la fuerza que actúa sobre una masa magnética unitaria colocada en ese punto.

De modo que si se tiene en un punto cualquiera del campo una masa unitaria, y sobre ella actúa la fuerza de una dina, diremos que en tal punto la intensidad del campo vale un Gauss (este es el nombre de la unidad de intensidad de campo).

Si la fuerza es de 20 dinas, el campo tendrá una intensidad de 20 Gauss y así súcesivamente. Para saber la intensidad de campo magnético que se produce a una distancia r de un polo de masa m, no tenemos más que suponer colocado a esta distancia otro polo de masa unitaria (m' = 1) y aplicar la ley de Coulomb, donde el producto de las masas da: m. Se tiene:

De modo que en un punto distante r centímetros de un polo de masa magnética m, la intensidad de campo es proporcional a la masa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

Se ve claro que la intensidad de campo decrece rápidamente al alejarnos del polo que produce el campo.

Utilizando la convención de Faraday, ya vista para el campo eléctrico, podemos imaginar un cuadrado de un centímetro de lado, colocado perpendicularmente a las líneas de fuerza del campo. La cantidad de líneas que atraviesa esa superficie mide, numéricamente, la intensidad de campo.

Así, si por el cuadradito pasan 20 líneas de fuerza diremos que el campo tiene una intensidad de 20 Gauss; también puede decirse que dicho campo tiene 20 líneas por centímetro cuadrado, o, en general, H líneas por centímetro cuadrado.

Generalizando la expresión de la fuerza que actúa sobre una masa magnética colocada dentro del campo, podemos dar dicha fuerza en función de la intensidad de campo. En efecto, si H es la fuerza que actúa sobre una masa unitaria, sobre una masa m actuará una fuerza m veces mayor, es, decir:

F = Hm

dada en dinas. Esta expresión coincide con la ley de Coulomb, pues basta substituir H por el valor equivalente, dado más arriba, para tener la expresión de dicha ley.

Flujo magnético. Unidades

Para expresar la fuerza de un campo magnético en cualquier punto alrededor de un imán, o para comparar esa fuerza, hacemos referencia al número de líneas de fuerza que pasan a través de la unidad de área en el campo magnético. La unidad de área utilizada para este propósito es la del cuadrado de 1 cm de lado, o sea 1 cm2.

Cuando hablamos de la fuerza de un campo magnético, es usual hacerlo refiriéndonos a una línea de fuerza, como un "maxwell de flujo". Si 1 maxwell de flujo (1 linea de fuerza) pasa a través de un área de 1 centimetro cuadrado, la fuerza del campo magnético en ese lugar es de 1 gauss. Asociando el número de líneas de fuerza con la unidad de área (o el número de líneas de flujo por cm2) , expresamos la densidad de flujo (medida en gauss) . Entonces, dos imanes o dos campos magnéticos se pueden comparar con referencia a su densidad de flujo en puntos correspondientes a ambos. Si el imán A tiene una densidad de flujo de 100 gauss y el imán B de 500 gauss, a la misma distancia de sus polos N, el B es el imán más fuerte. Los aparatos eléctricos que hacen uso de líneas de fuerza creadas por la corriente eléctrica, pueden funcionar con densidades de flujo de muchos cientos y aun miles de gauss.

En el sistema electromagnético una linea de inducción se denomina maxwell, y la inducción magnética se expresa en maxwells por centímetro cuadrado. Un maxwell por centímetro cuadrado se denomina gauss. No hay expresión similar en el sistema mks para un weber por metro cuadrado. Un gauss, o un maxwell por centímetro cuadrado, corresponde a una inducción magnética de una diezmilésima de weber por metro cuadrado:

En efecto, ya que la intensidad de campo puede representarse por el número de líneas de fuerza que pasan por un centímetro cuadrado, el producto de ella por la superficie dará el número total de líneas de fuerza que atraviesa normalmente la superficie considerada. Se obtiene así la visualización del flujo magnético, que estará dado, numéricamente, por la cantidad total de líneas de fuerza que pasan por una sección que se considera.

Para definir la intensidad de campo magnético, consideramos una superficie perpendicular a las líneas de fuerza, que tenía un centímetro cuadrado. Generalizando, si tomamos una superficie cualquiera S, se define el flujo magnético a través de la misma, como el producto de la intensidad de campo por el valor de S:

Φ = H S   (flujo magnético)

en cuya expresión, si se toma H en Gauss y S en cm2; resulta el flujo en Maxwell.

Nótese la similitud de la expresión, con la dada para el campo eléctrico. Podemos entonces extender las consideraciones hechas en esa oportunidad, e imaginar objetivamente al flujo magnético.

Potencial magnético.

Extenderemos, también en este caso, las consideraciones hechas para el campo eléctlico.

Definiremos el potencial en un punto del campo magnético, como la relación entre el valor de la masa magnética que produce el campo y la distancia del punto a ella:

donde hemos utilizado el símbolo P para el potencial magnético, a fin de no confundirlo con el potencial eléctríco.

De acuerdo también con las consideraciones citadas, se puede definir al potencial magnético en un punto del campo, como un trabajo gastado para llevar la masa magnética unitaria desde fuera del campo hasta el punto. La energía potencial acumulada en el punto por haber sido llevada la masa: unitaria desde una región donde no hay fuerzas hasta dentro del campo, a expensas de las fuerzas actuantes, representa el potencial de ese punto. Del mismo modo, si se tienen dos puntos dentro del campo magnético, y uno de ellos tiene un potencial magnético P1 y el otro uno P2, mayor que el anterior, la diferencia de potencial magnético entre esos puntos será igual a:

P = P2 - P1

en forma completamente similar a lo visto para el campo eléctrico. Esta diferencia de potencial equivale al trabajo que se necesita gastar para llevar la masa magnética unitaria desde el punto que está a mayor potencial hasta el otro.

Podemos así imaginar fácilmente las superficies equipotenciales del campo magnético, con solo recordar lo dicho para el campo eléctrico.

 

Propiedades de las líneas de fuerza magnéticas

Las líneas de fuerza tienen numerosas propiedades. Aquí, discutiremos solamente dos; las restantes serán explicadas al tratar los efectos magnéticos de la corriente.

La formación de la "línea", por medio de hierro en polvo o por las indicaciones de una aguja magnética, se debe a la acción de la energía magnética que hay en la línea de fuerza. La energía magnetiza cada partícula de hierro y la hace tomar posición a lo largo de la línea de fuerza (o a la aguja magnética, alrededor del imán). En el proceso de magnetizar una limadura (o algún material magnetizable), la energía del campo induce el magnetismo en la partícula. Esta se orienta siguiendo la línea de fuerza, de forma tal que las líneas de flujo pasan a lo largo de todos los imanes que ellas mismas crean.

Estando colocadas a lo largo de las líneas de fuerza, cada pequeño imán es atravesado por el mayor número de líneas de fuerza. Esta es una regla del comportamiento magnético. Un objeto imantable, colocado en un campo magnético, toma posición por sí mismo de forma tal de poder ser atravesado por el mayor número de líneas. Dando suficiente energía al campo magnético, las líneas ejercen fuerzas de giro, atracción o repulsión sobre otros imanes sobre los que actúen, de modo tal que también éstos sean atravesados por el mayor número de líneas de fuerza posible.

Dos imanes colocados uno cerca del otro, tienen campos magnéticos separados que ocupan un área común a ambos. Si se trata de unirlos u orientarlos de forma que las líneas de fuerza se crucen o intersecten, vemos que ésto no sucede; las líneas de fuerza nunca se cruzan. Cuando se enfrentan polos semejantes, las líneas de fuerza de cada imán permanecen separadas como entidades distintas, pero cada campo se deforma. Cuando se enfrentan polos no semejantes, las líneas de fuerza de cada campo interactúan con el otro y producen un campo resultante más fuerte.

Cuando las líneas de fuerza de dos campos son paralelas y tienen la misma dirección, se crea un campo más fuerte. Esto se deduce de la condición de que un número más grande de líneas de fuella estará actuando en la misma dirección por unidad de área que si hubiera un solo imán o un solo campo magnético. Cuando las líneas de fuerza de dos campos actúan en direcciones opuetas la energía de uno de ellos tiende a anular la energía del otro. El resultado es un campo debilitado en esa área. Esta condición es equivalente a un área atravesada por pocas líneas de fuerza.

Influencia de la materia contenida en el campo magnético.

Hemos supuesto que el campo magnético era toda la región del espacio influenciada por la presencia de polos magnéticos. En esa región puede haber o no alguna substancia. Según las características que presente la misma a los efectos de la influeucia que produzca sobre el campo, se encuentran cuerpos de tres clases distintas, como veremos a continuación.

Supongamos que introducimos en un campo magnético tres trozos de substancias distintas, por ejemplo madera (1), hierro (2), y bismuto (3) (ver figura siguiente). Si podemos observar la configuración del campo, es decir, el espectro magnético, mediante las limaduras de hierro diseminadas sobre el papel, veremos que las líneas de fuerza cambian sus direcciones en la forma ilustrada.

Hay cuerpos que se comportan, en lo que atañe al paso de las líneas de fuerza, como el vacío, es decir que el campo no cambia de configuración por el hecho de hallarse ellas contenidas en él. Estas son las substancias no magnéticas (cuerpo 1 en fig.).

Hay otras que se comportan como si fueran más permeables a las líneas del campo, es decir, como si ofrecieran menor resistencia al paso de las lineas de fuerza que el aire, el vacío o cualquier material no magnético. Son los cuerpos paramagnéticos y ferromagnéticos (cuerpo 2 en la fig. ).

Finalmente, tenemos las substancias que ofrecen impermeabilidad a las líneas del campo, es decir, que las hacen desviar, por tener las mismas un camino menos resistente en la zona vecina al cuerpo. Son las substancias diamagnéticas (cuerpo 3 en la fig. ).

Vemos así tres clases de materiales que se comportan distintamente. En electricidad, solo teníamos dos clases: conductores y aisladores. Ahora tenemos, además de esas dos categorías, la de los indiferentes, que dejan pasar las lineas como si no estuvieran colocados en el campo.

Como ejemplo típico de cuerpos no magnéticos, tenemos

  • el aire y gases,
  • los líquidos,
  • el cobre,
  • el plomo,
  • la madera,
  • el papel, etcétera.

Entre los permeables a las líneas de fuerza, hemos hecho dos grupos: los paramagnéticos, que son muy poco permeables, pero algo más que los no magnéticos, como

  • el estaño,
  • el platino,
  • el manganeso,
  • el calcio,
  • el potasio, etc.

Los ferromagnéticos, en cambio, presentan características de permeabilidad notables, y encontramos entre ellos al

  • hierro y todos sus derivados,
  • el níquel,
  • el cobalto,
  • y las aleaciones de hierro, con manganeso, con silicio, etc. .

Los cuerpos diamagnéticos son los que se oponen al paso de las líneas de fuerza, es decir, que son menos permeables que el aire o el vacío. Como ejemplo típico tenemos

  • el bismuto y el bronce.

Inducción magnética.

El hecho de introducir una substancia en el campo magnético no interrumpe la continuidad de las líneas de fuerza; ellas existen también dentro de la substancia, pero sabemos que pueden cambiar de configuración según la clase de material.

En un imán, las líneas de fuerza que salen de su polo norte (ver figura) llegan al sud, pero no pueden interrumpirse, sino que siguen su recorrido llegando nuevamente al norte, por el interior del imán. Tenemos así una diferencia con el campo eléctrico, pues en él las líneas salían de las cargas positivas y llegaban a las negativas, consecuencia de poder disponer de cargas aisladas de un solo signo.

En los imanes, no podemos obtener polos aislados de un solo nombre, de manera que siempre se presentan de a pares, un norte con un sud. Las líneas de fuerza son cerradas, siguiendo un recorrido continuo por dentro y por fuera del imán.

En cualquier substancia colocada en un campo magnético encontraremos líneas de fuerza, que pasarán por ella para seguir su recorrido cerrado.

La intensidad de campo magnético se define en base al campo mismo, y no a la substancia introducida. Dentro de la substancia podemos imaginar la superficie elemental de un centímetro cuadrado y contar la cantidad de líneas que la atraviesa. Puede ser igual, mayor o menor que el número que mide la intensidad de campo, o número de líneas por centímetro cuadrado si no estuviera la substancia.

Se llama inducción magnetica, a ese número, o sea a la cantidad de líneas de fuerza que pasan por un centímetro cuadrado, normal a las mismas. Es evidente que la inducción magnética será igual a la intensidad del campo, si la substancia es indiferente (no magnética).

De modo que el número de líneas de fuerza que pasan por un cm2, colocado perpendicularmente a las mismas, mide la intensidad del campo magnético. Si en esa zona del campo introducimos una substancia cualquiera, en ella se inducen líneas de fuerza, es decir, pasan por ella, y el número de líneas que atraviesan el mismo centímetro cuadrado, mide la inducción magnética en esa zona.

Entre la inducción magnética y la intensidad de campo hay una relación, que califica la mayor o menor facilidad que ofrece la substancia al paso de las líneas de fuerza. Tal relación es:

donde B es la inducción magnética, H la intensidad de campo, y μ se denomina: "permeabilidad magnética" del material y representa el número de veces que el cuerpo es más conductor magnético que el vacio o el aire.

 

En realidad todos los cuerpos no magnéticos tienen permeabilidad unitaria. De acuerdo con esto, podemos dar una nueva definición de los distintos cuerpos, según su comportamiento al pasaje de las líneas del campo.

En efecto, para los paramagnéticos y ferromagnéticos, B debe ser mayor que H, y para los diamagnéticos, a la inversa, de manera que se tiene:

Si bien es cierto que para los cuerpos paramagnéticos, la permeabilidad será poco mayor que la unidad.

De acuerdo con lo que antecede, el flujo magnético a través de un cuerpo colocado dentro del campo, estará dado por la cantidad total de líneas de fuerza que lo atraviesa. Si la sección transversal del cuerpo es S, el flujo será:

Φ = B S = H μ S

puesto que la inducción es igual al producto de la intensidad de campo por la permeahilidad magnética del material. Resulta Φ en Maxwell; B y H en Gauss; S en cm2.

Saturación magnética.

En las substancias no magnéticas y paramagnéticas, en las que la permeabilidad vale uno o poco más de uno, respectivamente, las lineas de fuerza pasan por ella en cualquier número, según la intensidad del campo en que se hallan sumergidas. Se dice entonces que la permeabilidad de las mismas es constante.

No sucede lo mismo con los cuerpos ferromagnéticos, que presentan una diferencia bien marcada, atribuida a la distinta configuración atómica de tales cuerpos. Se supone que los corpúsculos elementales de estas substancias tienen propiedades magnéticas propias, es decir, que se los puede imaginar formados por una multitud de minúsculos imancillos, dispuestos desordenadamente en la masa del cuerpo. Por esa distribución caprichosa, no se manifiesta propiedad magnética exterior ninguna, pero, si introducimos al cuerpo en un campo magnético, los imancillos serán orientados en el sentido de las fuerzas del campo, es decir, que tomarán todos la dirección norte-sud.

Si el campo es débil, algunos imanes elementales comienzan a orientarse. Si el campo es más fuerte, será mayor la cantidad que se dispone en el sentido indicado. Pero si aumenta mucho la intensidad de campo, todos los imancillos quedan ya orientados, y aunque se aumente más la intensidad no se logrará ningún efectó adicional, puesto que, ya se había conseguido la orientación total. En tal estado se dice que el cuerpo está saturado.

Es fácil comprender que la inducción magnética en el cuerpo ferromagnético, es decir, la cantidad de líneas de fuerza que se inducen en él, dependerá del estado interno del mismo. A medida que se va produciendo la orientación de sus corpúsculos, van quedando menos en posiciones desordenadas, y en el estado de saturación, el cuerpo se comportará como si fuera no-magnético.

Quiere decir que la permeabilidad magnética del cuerpo será mayor cuando el campo es débil, disminuirá a medida que crece el campo, y llegará a valer la unidad cuando se produce la saturación. Estos cuerpos no tienen, entonces, permeabilidad constante, sino que la misma depende de la intensidad del campo en el que se los coloca.

Desmagnetización de los imanes.

Los imanes artificiales o barras de hierro imantadas, pierden sus propiedades magnéticas por diversas causas. Una de ellas es el tiempo, puesto que no conservan indefinidamente la imantación original. Otra causa de desmagnetización es la temperatura.

Al calentar un imán, se puede llegar a una temperatura llamada "crítica", denominada también "de Curie", para la cual pierde por completo su magnetización.

Para el hierro, esa temperatura es 753°C y para el níquel, 376°C. Esto explica porqué no se puede destemplar o templar un imán después de imantado, pues habría que llegar a la temperatura critica.

Puede disminuirse la acción del tiempo, si se coloca una barra de hierro dulce que apoye en los dos polos de un imán, si éste es de forma de herradura, o tomando dos de ellos y colocando dos barras de hierro, si son de fonna de barra.

Finalmente, podemos citar como causa de desimantación una que se utiliza también para imantar barras de hierro. Es la de introducir el imán en un campo magnético que tenga sentido contrario al del imán. Si las líneas de fuerza del campo van de izquierda a derecha, por ejemplo, se coloca el imán con el norte a la izquierda y el sur a la derecha, con lo que se anulará su campo magnético. Si el campo supera en intensidad a la del imán, la barra quedará imantada con polaridad contraria a la que tenía antes de introducirla en el campo. Para anular la imantación se debe tener equilibrio entre el campo actuante y el del imán. Este procedimiento se utiliza para producir imanes artificiales, colocando barras de hierro dentro de campos magnéticos intensos, producidos por medio de la electricidad. Al sacar la harra de hierro, quedará imantada.

 

 

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