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MAGNETISMO . POLOS Y CAMPOS MAGNÉTICOS

Observando un trozo de material magnético se puede apreciar que es en sus extremos donde se concentran sus efectos, lo que nos conduce a la idea intuitiva de polos magnéticos. Cuando se descubrió que un imán suspendido de un hilo se alineaba siempre en la misma dirección, la correspondiente a norte-sur (o muy próxima a ésta), se llamó polos norte y sur a los extremos del mismo.

En un principio el nombre fue «polo buscador del norte (o del sur)>> (Figura 1.a). También se comprobó que los materiales magnéticos unas veces se atraían y otras se repelían entre ellos. De nuevo parecía que los efectos se originaban entre los polos que se encontraban más cerca, y la regla que se estableció para describir este comportamiento fue que «polos iguales se repelen y polos distintos se atraen» (Figura  1b).

Figura 1.-Efectos magnéticos básicos.

Para poder explicar la influencia de un imán sobre otro, aunque no estén en contacto, se ha desarrollado el concepto de campo magnético, que es la región del espacio en torno al imán donde se puede notar su efecto. (El concepto de campo es normal en física, así como en magnetismo. Surge cuando se observan efectos a distancia de los elementos que los provocan.) La región de influencia de un imán es donde actúa el campo, en teoría cualquier lugar en torno al imán, pero esta influencia es menor cuanto más lejos del mismo se encuentre dicho lugar. Es lógico, por tanto, pensar que el campo magnético tiene una intensidad (tiene una magnitud que se puede medir) y también una dirección, puesto que las fuerzas que se producen son magnitudes direccionales (vectores).

¿Qué aspecto tiene el campo magnético? Imaginemos la pequeña aguja de una brújula situada cerca de un imán. Esté donde esté, su polo norte será atraído por el polo sur del imán, y su polo sur será atraído por el polo norte del imán, colocándose según el efecto de esas atracciones, así como de las repulsiones entre polos iguales (en la figura 1c se muestran algunas de estas posiciones). Moviendo la aguja de la brújula por distintos sitios en torno al imán, se puede realizar un dibujo partiendo de la dirección en que se sitúa la aguja en cada punto. El conjunto de líneas que componen este dibujo representa el campo magnético: la proximidad de las líneas da una medida de la intensidad del campo y la dirección de las líneas representa la dirección del campo. Puesto que sólo hay una única dirección en cada punto, las líneas de campo nunca se cruzan ni se tocan. En la figura 1d se muestra el dibujo del campo que hay alrededor de un imán recto y de un imán en forma de herradura (en realidad, el campo es tridimensional, por supuesto). Obsérvese que las líneas de campo van desde los polos norte a los polos sur.

El campo magnético también se puede «ver» utilizando limaduras de hierro distribuidas sobre una mesa bajo la cual se coloca el imán (Fig. 1 e).

Entre los múltiples usos de los imanes permanentes se encuentran los siguientes: cerraduras de puertas de armarios, cintas de las puertas de frigoríficos, puntas de destornilladores, imanes de enfoque en tubos de imagen de televisión, motores eléctricos, dinamos de bicicleta, brújulas, altavoces, amperímetros y voltímetros.

La Tierra tiene un campo magnético propio, lo cual explica que la aguja de una brújula se coloque en la dirección norte-sur. La forma de este campo es muy similar a la que produciría un imán recto colocado cerca del centro de la Tierra, pero inclinado un pequeño ángulo con respecto al eje de rotación.

Combinación de campos

La forma relativamente simple del campo alrededor de un solo imán se complica considerablemente cuando hay más de uno y cuando influye también el campo magnético de la Tierra. En la figura 2 se muestran los dibujos de algunos de estos campos. Lo más importante de esto es que en algunos puntos de los campos se refuerzan unos a otros, mientras que en otros se debilitan e incluso se cancelan unos a otros (por ejemplo, en los puntos marcados con una cruz).

Materiales magnéticos

La roca magnética, la magnetita, es un mineral de hierro, pero de los metales puros sólo se pueden magnetizar el hierro, el cobalto y el níquel. Con aleaciones de estos tres metales con otros, tales como el aluminio o los aceros que contienen diversas cantidades de carbón, se pueden fabricar imanes permanentes muy potentes (sin embargo, el acero inoxidable normalmente no es magnético debido a su contenido en cromo). También se pueden fabricar imanes cerámicos o de caucho, que tienen gran intensidad magnética, pero por lo general una resistencia física pequeña. Todos estos materiales se conocen como ferromagnéticos y son afectados fuertemente por los campos magnéticos. Es sorprendente saber que hay otras sustancias, incluso líquidas, que tienen ciertas propiedades magnéticas aunque muy débiles, pero esas propiedades pueden ser importantes en ciertas circunstancias especiales.

Los imanes tienen dos características importantes: la intensidad de su magnetización y el tiempo que dura retenida. En un imán permanente es más importante que retenga el magnetismo cuando se utiliza que su intensidad magnética, mientras que en los electroimanes  y en los transformadores  lo más importante es la capacidad para conmutar de un estado a otro.

Los imanes cerámicos tienen aplicaciones interesantes debido a su ligereza y a su fuerte magnetización. Se encuentran en forma de barra o en placas rectangulares o con forma de anillo y se pueden magnetizar de formas inesperadas (Fig. 3). Incluso es posible que un imán en forma de anillo se magnetice sin aparecer ningún polo. ¿Cómo puede ser magnetizado?

Figura 2.--Combinación de campos magnéticos; a), b) y e) con dos imanes; d) entre un imán y la Tierra.

Figura 3.-Campos magnéticos cerca de los imanes cerámicos.

CAMPOS Y CORRIENTES

 Campos magnéticos generados por corrientes eléctricas

Se puede comprobar que una corriente eléctrica produce un campo magnético colocando una brújula cerca de un cable por el que pasa una corriente eléctrica. Cuando pasa corriente por el cable, la aguja se desvía de su posición N-S normal. La forma del campo se puede estudiar utilizando una brújula o limaduras de hierro, como se muestra en la figura 4.

El dibujo del campo está formado por una serie de círculos concéntricos, la intensidad del campo es más pequeña cuanto más lejos está el punto de la corriente eléctrica. Si cambia el sentido de la corriente, también cambia el sentido del campo magnético. Con una corriente eléctrica de 1 A, por ejemplo, el campo no es muy intenso, pero con corrientes más grandes se pueden generar campos muy intensos.

Corriente circular y solenoide

Si tenemos un conductor doblado en forma circular, por el que pasa una corriente eléctrica, podemos observar que se forma un campo magnético muy interesante (Fig. 5).

Figura 5.-Campo magnético a través de un conductor circular.

Observe el campo en el centro del conductor; el efecto se puede aumentar arrollando el cable por el que circula la corriente en forma de hélice o solenoide. En este caso, el dibujo del campo tanto dentro como fuera del solenoide es importante (Fig. 6).

Dentro del solenoide, el dibujo del campo es un conjunto de líneas rectas separadas uniformemente. Su intensidad depende del valor de la corriente eléctrica y de lo cerca que se encuentren las vueltas (espiras) de cable unas de otras. Con varios cientos de espiras

Figura 6.---Campo magnético dentro y fuera de un solenoide

se puede generar un campo intenso y uniforme dentro del solenoide, que es fácil de controlar alterando la corriente eléctrica.

El dibujo del campo externo se parece notablemente al dibujo del campo de un imán permanente (Fig. 1d). De hecho, no se podrían diferenciar si el único factor de comparación fueran los campos. Incluso el solenoide se comporta como si tuviera polo norte y polo sur que repelen y atraen a otros polos, igual que los polos de los imanes. Si se pudiera mover libremente (lo cual no es fácil porque necesita tener cables conectados a él), el solenoide indicaría la dirección norte-sur.

Electroimanes

El campo magnético que hay dentro de un solenoide se puede utilizar para fabricar un electroimán si las espiras del solenoide se arrollan sobre un núcleo de hierro. El campo del solenoide magnetiza el hierro, y éste suma su campo mucho mayor al campo generado por la corriente eléctrica. La principal ventaja de este sistema reside en que como su núcleo es de hierro (hierro casi puro, no acero), no se retiene su magnetismo cuando cesa de pasar la corriente.

La fuerza del electroimán depende de la corriente que pasa por el solenoide, del número de vueltas (o espiras) de cable y del volumen del núcleo de hierro. En la figura 7 se puede ver una forma simple de comprobar estos factores.

Figura 7. Estudio de la fuerza de un electroimán.

Lo más importante a destacar es que la fuerza del electroimán tiene un valor límite para un tamaño de núcleo determinado, que se alcanza cuando el hierro se magnetiza totalmente, es decir, que se «satura». Por encima de este punto no se puede obtener una fuerza mayor. En cuanto a la magnetización del solenoide, lo que más importa es el número de amperios-vuelta; por ejemplo, 3 A y 100 vueltas originan el mismo efecto que 2 A y 150 vueltas o que 1 A y 300 vueltas.

Tipos de electroimanes

En la figura 8 aparecen algunos tipos de electroimanes, cada uno para aplicaciones específicas. Cuando se utiliza más de una bobina de cable se debe tener cuidado de que los arrollamientos estén en el sentido apropiado, para que produzcan dos polos diferentes (los dibujos no están a escala).

Figura 8.-Tipos de electroimanes.

Al igual que con los imanes permanentes, hay muchas aplicaciones de los electroimanes: timbres y vibradores, separadores de hierro/acero de otras sustancias, magnetófonos, relés de los coches, transformadores, generadores de electricidad, motores eléctricos, auriculares de teléfono, bobinas inductoras, aceleradores de partículas atómicas (el ciclotrón, por ejemplo). En la figura 9 aparecen algunas de estas aplicaciones.

Figura 9. Algunas aplicaciones de los electroimanes.

a) Se trata de un relé reed. Tiene dos contactos que se juntan o se separan por la acción de un campo magnético producido por la corriente que circula por otro circuito distinto al circuito en el que se encuentran dichos contactos. Este tipo de relé se utiliza para conectar o desconectar una corriente utilizando otra.

b) El timbre eléctrico básico funciona de la siguiente forma: cuando pasa corriente, el electroimán atrae una «armadura» de hierro dulce, lo que provoca la ruptura del circuito y, por tanto, la armadura vuelve a su sitio, repitiéndose esta secuencia periódicamente. Es muy importante el ajuste del contacto para que el timbre suene adecuadamente.

c) Otro diseño de timbre eléctrico. La armadura se encuentra por encima de... ¿Puede usted explicar qué es lo que ocurre para que suene el timbre?

d) La cabeza grabadora (o reproductora) de un magnetófono magnetiza las partículas que hay en la cinta dependiendo de las señales eléctricas que provienen del amplificador.

e) El auricular de un teléfono contiene un disco muy fino que vibra en función de los cambios que experimenta el campo magnético producido por un electroimán.

 

 

 

 

 

 
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