Los
materiales magnéticos tienen una doble importancia en los
dispositivos de conversión de energía. Se
pueden obtener grandes densidades de flujo con niveles relativamente
bajos de fuerza magnetomotriz. Por
otro lado, se pueden usar para delimitar y dirigir a los campos
magnéticos en unas trayectorias definidas: hacen en magnetismo
el papel de conductores, al igual que los conductores eléctricos
en electricidad. Para
el estudio del transformador es necesario el conocimiento de los
circuitos magnéticos y de las leyes que los rigen. En el
análisis de los circuitos magnéticos habituales se
emplean las ecuaciones de Maxwell en su forma integral, con lo cual
resultan leyes de uso común más sencillas. En concreto
se utilizarán:
-
la ley de Ampere,
- la ley de conservación del flujo,
- la ley de inducción de Faraday, y
- las propiedades magnéticas de los materiales empleados.
(del griego elektron,ámbar, y del latín
magnes, - etis, imán) Existe una estrecha relación
entre la electricidad y el magnetismo dado que son fenómenos
complementarios en lo que tiene que ver con muchas de sus aplicaciones.
El magnetismo puede considerarse como la facultad que posee un cuerpo
(denominado genéricamente imán) para atraer o repeler
a otros cuerpos según su material y carga eléctrica.
Es posible diferenciar tres clases de imanes:a. Imanes naturales: Variedad de óxido de
hierro coincida como magnetita. El magnetismo es uno de los aspectos
del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de
la naturaleza (junto con la gravedad, la fuerza nuclear fuerte y
la fuerza nuclear débil). 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
(véase Radiación electromagnética). La manifestación
más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción
o repulsión que actúa entre los materiales ferromagnéticos
como el hierro. Desde la antigüedad se ha constatado la interacción
entre el hierro o minerales como la magnetita con el campo magnético
terrestre, de forma que el polo norte de un imán tiende a
apuntar al polo sur de otro. En realidad, si se disponen de los
instrumentos de medida adecuados, en toda la materia se pueden observar
efectos más sutiles del magnetismo (como paramagnetismo y
diamagnetismo). Recientemente, estos efectos han proporcionado claves
importantes para comprender la estructura atómica de la materia. b. Imanes artificiales: Su formarán se fundamenta
en la transmisión de las propiedades magnéticas a
una barra de acero, mediante diversos procedimientos. Sus formas
más comunes son la cilíndrica, recta y de herradura. c. Electroimanes: Consisten en piezas de hierro
alrededor de las cuales se enrolla un conductor aislado. Las propiedades
magnéticas aparecen cuando se hace circular una corriente
eléctrica por el conductor. (Ver Electroimán). Es
notable la característica de los imanes que consiste en tener
dos polos llamados Norte y Sur los cuales componen en dos mitades
todo el imán, estos dos polos son indivisibles, o sea si
tomamos un imán recto y lo partimos a la mitad cada una de
estas mitades será un nuevo imán con dos polos Norte
y Sur, y así sucesivamente en cada participan tendremos dos
nuevos imanes. Esto es conocido en la física teórica
como la imposibilidad de obtener un monopolo magnético. Para
caracterizar la interacción magnética de dos o más
cuerpos, y mostrar cómo se transforma el espacio en las inmediaciones
de un imán se utiliza el concepto de campo magnético,
el cual se puede representar mediante las llamadas líneas
de fuerza ó líneas de inducción magnética,
éstas líneas son como unos hilos invisibles que unen
los polos Norte y Sur de un imán. Brújula: Instrumento
formado por una aguja imantada suspendida sobre un eje, que gira
a causa del campo magnético terrestre y señala siempre
aproximadamente la dirección N-S. Sirve para orientarse sobre
la superficie de la Tierra. Campo. Campo eléctrico: Región del espacio
en la que se dejan sentir las fuerzas de atracción o repulsión
que una carga eléctrica ejerce sobre otra de distinto o igual
signo, respectivamente, situada en otro punto de ese espacio
Electromagnetismo es la parte
de la física que estudia los campos electromagnéticos,
sus interacciones con la materia y, en general, la electricidad
y el magnetismo. Estudio de los fenómenos producidos por
la interrelación entre los campos eléctrico y magnético.
Toda carga eléctrica en movimiento crea a su alrededor un
campo magnético, con propiedades similares a las de un imán,
y a su vez todo campo magnético ejerce una fuerza sobre los
conductores por los que circula una corriente eléctrica o
la crea en éstos cuando varía el flujo de líneas
magnéticas que los atraviesa. De ello se deduce que la energía
eléctrica puede ser transformada en trabajo mecánico
(motor eléctrico) y que la energía mecánica
puede convertirse en electricidad (fenómeno de inducción
magnética).
El electromagnetismo estudia conjuntamente
los fenómenos físicos en los cuales intervienen cargas
eléctricas en reposo y en movimiento, así como los
relativos a los campos magnéticos y a sus efectos sobre diversas
sustancias.
El electromagnetismo, por lo tanto
estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos
que se unen en una sola teoría, que se resumen en cuatro
ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos y
magnéticos conocidas como las ecuaciones de Maxwell. Gracias
a la invención de la pila se pudieron efectuar los estudios
de los efectos magnéticos que se originan por el paso de
corriente eléctrica a través de un conductor.
La idea propuesta y materializada
por el físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879),
quien luego de estudiar los fenómenos eléctricos y
magnéticos concluyó que son producto de una misma
interacción, denominada interacción electromagnética,
lo que le llevó a formular, alrededor del año 1850,
las ecuaciones antes citadas, que llevan su nombre, en las que se
describe el comportamiento del campo electromagnético. Estas
ecuaciones dicen esencialmente que:
· Existen portadores de cargas
eléctricas, y las líneas del campo eléctrico
parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
· No existen portadores de carga magnética; por lo
tanto, el número de líneas del campo magnético
que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número
de líneas que entran a dicho volumen.
· Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un
campo magnético variable, genera una corriente eléctrica
llamada corriente inducida.
· cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.
Campo magnético
de las corrientes
Oersted descubrió en 1820
que una corriente eléctrica (cargas en movimiento) está
rodeada por un campo magnético. Una ley fundamental de Amper
permite computar la magitud del campo magnético debido a
una corriente eléctrica. Consideremos una longitud elemental
(infinitesimal) , dl, de un alambre que transporta una corriente
I (ver Fig. 2-1). De acuerdo con la ley de Ampere, la contribución
del elemento dl al campo magnético (dH), en un punto P a
una distancia r del alambre es
donde es el ángulo entre, la línea (r) que une el alambre
(dl) al punto P y la dirección de la corriente (la tangente
a dl) . Para obtener la intensidad (H) total del campo en el punto
P, se deben sumar las contribuciones elementales del campo a lo
largo de la longitud del alambre; és decir debe integrarse
la expresión para dH:
Cuando esta expresion se calcula para varias formas de alambres se obtienen los siguientes resultados.
1. Alambre recto. La intensidad de campo (en oersted), a una distancia de r cm del eje de un alambre recto que transporta una corriente de 1 amperes es
2. Espira circular. La intensidad de campo en el centro de una espira circular de alambre, de radio r, que transporta una corriente de 1 amperes, es
Fíg. 2-1. Definición del campo magnético alrededor de un alambre (Ley de Ampere).
Esta expresión se usa para definir la unidad électromagnética de corriente o abampere, como la corriente que en una espira circular de 1 cm de radio produce en el centro una intensidad de campo de 2 oersteds. (Resolviendo para I, después de sustituir la definición de campo, I = 10 amperes. Por lo tanto, la unidad electromagnética de corriente, abampere = 10 amperes.)
3. Bobina plana circular. La intensidad de campo en el centro de una bobina plana de N espiras circulares (vueltas) es
4. Bobina larga (Solenoide). Un solenoide es una bobina de alambre bobinado uniformemente en una hélice larga. La intensidad de campo en el centro de una bobina larga, o solenoide, de N espiras de alambre y de longitud 1 cm, que transporta una corriente de I amperes, es
Esta expresión también da la intensidad de campo a lo largo del eje de una bobina toroidal (anillo).
Forma circuital de la ley de Ampere
En esta forma la ley establece que el trabajo realizado para mover una unidad aislada magnética en un camino cerrado (de cualquier forma) alrededor de un conductor que transporta corriente es
Nótese que la cantidad de trabajo (W) es independiente de la longitud del camino.
PROBLEMA 53. Computar la intensidad de campo en un punto a 8 cm de un alambre recto que transporta una corriente de 24 amperes. Determinar también el trabajo requerido para transportar un polo de 10 unidades electromagnéticas (UEM) en un camino circular alrededor del alambre.
el trabajo realizado ,
Alternativamente la fuerza que actúa sobre el polo,
El trabajo realizado por esta fuerza, W = fuerza X distancia; por lo tanto, para un camino circular de radio r,
es el ángulo entre, la línea (r) que une el alambre
(dl) al punto P y la dirección de la corriente (la tangente
a dl) . Para obtener la intensidad (H) total del campo en el punto
P, se deben sumar las contribuciones elementales del campo a lo
largo de la longitud del alambre; és decir debe integrarse
la expresión para dH:
(Nótese que se anula el radio r del recorrido.)