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Electromagnetismo

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Autor: Davide Anselmi

El electromagnetismo es la parte de la electricidad que estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos. Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relación fue descubierta por casualidad.

Así, hasta esa fecha el magnetismo y la electricidad habían sido tratados como fenómenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Sin embargo, esto cambió a partir del descubrimiento que realizó Hans Chirstian Oersted , observando que la aguja de una brújula variaba su orientación al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella. Los estudios de Oersted  sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno: las fuerzas magnéticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas eléctricas en movimiento.

El electromagnetismo es la base de funcionamiento de todos los motores eléctricos y generadores eléctricos.

Aprende más sobre el electromagnetismo

Orígenes del electromagnetismo: el experimento de Oersted

Esta relación entre la electricidad y el magnetismo fue descubierta por el físico danés Hans Christian Øersted. Éste observó que si colocaba un alfiler magnético que señalaba la dirección norte-sur paralela a un hilo conductor rectilíneo por el cual no circula corriente eléctrica, ésta no sufría ninguna alteración.

Sin embargo en el momento en que empezaba a pasar corriente por el conductor, el alfiler magnético se desviaba y se orientaba hacia una dirección perpendicular al hilo conductor.

En cambio, si dejaba de pasar corriente por el hilo conductor, la aguja volvía a su posición inicial.

De este experimento se deduce que al pasar a una corriente eléctrica por un hilo conductor se crea un campo magnético.

Campo magnético creado por una corriente eléctrica

Una corriente que circula por un conductor genera un campo magnético alrededor del mismo.

El valor del campo magnético creado en un punto dependerá de la intensidad del corriente eléctrico y de la distancia del punto respecto el hilo, así como de la forma que tenga el conductor por donde pasa la corriente eléctrica.

El campo magnético creado por un elemento de corriente hace que alrededor de este elemento se creen líneas de fuerzas curvas y cerradas. Para determinar la dirección y  sentido del campo magnético podemos usar la llamada  regla de la mano derecha.

Regla de la mano derecha

La regla de la mano derecha nos dice que utilizando dicha mano, y apuntando con el dedo pulgar hacia el sentido de la corriente, la curvatura del resto de dedos nos indicará el sentido del campo magnético
  • En el caso de un hilo conductor rectilíneo se crea un campo magnético circular alrededor del hilo y perpendicular a él.

  • Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espira, el campo magnético sera circular. La dirección y el sentido del campo magnético depende del sentido de la corriente eléctrica.

  • Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hélice tenemos una bobina o solenoide. El campo magnético en su interior se refuerza todavía más en existir más espiras: el campo magnético de cada espira se suma a la siguiente y se concentra en la región central.

Espiral por el que circula un corriente

Espira por la cual circula una corriente, esta corriente genera un campo magnético a su alrededor

Una aplicación muy común de las bobinas es utilizarlas como  electroimanes. Este tipo de electroimanes consiste en una bobina, por donde circula una corriente eléctrica, y un núcleo ferromagnético, colocado en el interior de la bobina. Cuando por la bobina circula una corriente eléctrica, el núcleo de hierro se convierte en un imán temporal. Cuantas más espiras tenga la bobina, mayor será su campo magnético.

Fuerza electromagnética

Cuando una carga eléctrica está en movimiento crea un campo eléctrico y un campo magnético a su alrededor.

Así pues, este campo magnético realiza una fuerza sobre cualquier otra carga eléctrica que esté situada dentro de su radio de acción. Esta fuerza que ejerce un campo magnético será la fuerza electromagnética.

Si tenemos un hilo conductor rectilíneo por donde circula una corriente eléctrica y que atraviesa un campo magnético, se origina una fuerza electromagnética sobre el hilo. Esto es debido a que el campo magnético genera fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento.

Si en lugar de tener un hilo conductor rectilíneo tenemos un espiral rectangular, aparecerán un par de fuerzas de igual valor pero de diferente sentido situadas sobre los dos lados perpendiculares al campo magnético. Esto no provocará un desplazamiento, sino que la espira girará sobre si misma.

Espira rectangular

Espira rectangular girando de un campo magnético
Regla mano izquierda

La dirección de esta fuerza creada se puede determinar por la regla de la mano izquierda.

  • Si la dirección de la velocidad es paralela a la dirección del campo magnético, la fuerza se anula y la trayectoria de la partícula será rectilínea.
  • Si la dirección de la velocidad es perpendicular al campo magnético la fuerza vendrá dada por la expresión:
Formula 

Y si esta fuerza es perpendicular al plano formado por la velocidad y el campo magnético, la partícula entonces describirá una trayectoria circular.

  • Si la dirección de la velocidad es oblicua a la del campo magnético, la partícula describirá una trayectoria en espiral.

Faraday-Lenz, la inducción electromagnética y la fuerza electromotriz inducida

La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. Este fenómeno es justamente el contrario al que descubrió Oersted, ya que es la existencia de un campo magnético lo que nos producirá corrientes eléctricas. Además, la  corriente eléctrica incrementa en aumentar la rapidez con la que se producen las variaciones de flujo magnético.

Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la Ley de Faraday-Lenz.

La ley de Faraday-Lenz

Basado en el principio de conservación de la energía, Michael Faraday pensaba que si una corriente eléctrica era capaz de generar un campo magnético, entonces un campo magnético debía también producir una corriente eléctrica.

En 1831 Faraday llevó a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenómeno de inducción electromagnética . Descubrió que, moviendo un imán a través de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente eléctrica, llamada corriente inducida. Además, esta corriente también aparecía al mover el alambre sobre el mismo imán quieto.

Faraday explicó el origen de esta corriente en términos del número de líneas de campo atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue posteriormente expresado matemáticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las cuatro ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.

La Ley de Faraday nos dice que :

"La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varia el flujo magnético que atraviesa un circuito, por unidad de tiempo”.

Para determinar el sentido de una corriente inducida se utiliza la llamada Ley de Lenz, que formulaba que:

"La corriente inducida crea un campo magnético que se opone siempre a la variación de flujo magnético que la ha producido”.

Estas leyes se pueden resumir en la siguiente expresión:

Donde se establece que el cociente entre la variación de flujo(Δϕ) respecto la variación del tiempo(Δt) es igual a la fuerza electromotriz inducida(ξ). El signo negativo viene dado por la ley de Lenz , y indica el sentido de la fuerza electromotriz inducida, causa de la corriente inducida.La corriente inducida, pues, se debe al movimiento relativo que hay entre la bobina y el imán.

La inducción electromagnética constituye un fenómeno destacado en el electromagnetismo. Se han desarrollado un sin número de aplicaciones prácticas de este fenómeno físico:

La inducción electromagnética en una bobina

Para entender correctamente qué es la inducción electromagnética analizaremos una bobina (componente del circuito eléctrico en forma de espiral que almacena energía eléctrica):

  • Cuando el imán y la bobina están en reposo el galvanómetro no señala paso de corriente eléctrica a través de la bobina. 
  • Si acercamos un imán a esta bobina, observamos que el galvanómetro marca el paso de  una corriente eléctrica en la bobina. 
  • Si  alejamos el imán, el galvanómetro marcará el paso de la corriente eléctrica a través de la bobina, pero de sentido contrario a cuando lo acercábamos.
  • Si en vez de mover el imán movemos la bobina, podemos comprobar los mismos efectos a través del galvanómetro.

De esta experiencia se puede deducir que el corriente dura mientras se realiza el movimiento del imán o de la bobina y es más intenso como mas rápido se haga este movimiento.  La corriente eléctrica que aparecen a la bobina es la corriente inducida.

Corrientes de Foucault

Las corrientes de Foucault,  también conocidas como corrientes parásitas, fueron descubiertas por el físico francés Léon Foucault en 1851, al construir un dispositivo que utilizaba un disco de cobre el cual se movía en un campo magnético intenso.

Este fenómeno  se produce cuando un material conductor atraviesa un campo magnético variable (o viceversa. En este caso, el movimiento relativo entre el material conductor y el campo magnético variable, causa una circulación de electrones, o corriente inducida a través del material conductor.

Estas corrientes circulares, de Foucault crean campos magnéticos variables con el tiempo, que se oponen al  sentido del flujo del campo magnético aplicado.

Las corrientes de Foucault, y los campos opositores generados serán mayores cuanto:

  • Más fuerte sea el campo magnético aplicado.
  • Mayor la conductividad del conductor.
  • Mayor la velocidad relativa de movimiento.

Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule, que es un fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.

Sin embargo, hay infinidad de aplicaciones que se basan en las corrientes de Foucault, como:

  • Los hornos de inducción, de gran utilidad en la industria ya que funcionan a altas frecuencias y con
    grandes corrientes.
  • Las corrientes Foucault, también, son la base del funcionamiento de los detectores de metales.
  • También están presentes en los sistemas de levitación magnética usado en los trenes.

Pero las corrientes parásitas también disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de acero eléctrico, apiladas pero separadas entre sí mediante un barniz aislante u oxidadas tal que queden mutuamente aisladas eléctricamente.

En general, las corrientes de Foucault son indeseadas, ya que representan una disipación de energía en forma de calor, pero, como ya hemos visto, estas corrientes son la base de muchas aplicaciones. También son la causa principal del efecto pelicular en conductores que transportan corriente alterna , lo que crea la mayor parte de las pérdidas en el transporte de la electricidad.

Preguntas sobre electromagnetismo

¿Cómo funciona el tren magnético?

¿Qué es el efecto pelicular?