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ELECTROMAGNETISMOELECTROMAGNETISMOELECTROMAGNETISMOELECTROMAGNETISMOELECTROMAGNETISMO

Electromagnetismo, es una rama de la física queestudia las interacciones entre los campos eléc-tricos y mágneticos.

EXPERIMENTO DE OERSTED

“Toda corriente eléctrica o carga eléctrica en movi-miento crea a su alrededor un campo magnético”.Hasta inicios del siglos XVII nadie sospechaba larelación que existía entre los fenómenos magnéti-cos y eléctricos, fue entonces que en 1 820 el físicodanés Hans Cristiam Oersted (1 777 – 1 851) quienya se preguntaba: ¿Qué pasaría si se genera corrien-te eléctrica en presencia de imanes?. Con ayuda dela pila inventada por Volta, montó sobre una mesa:una pila, un alambre y una aguja de brújula.

Regla de la Mano DerechaEste método sirve para determinar la orientaciónde la aguja magnética cuando cercano a ella pasauna corriente.

Para esto es recomendable seguir los siguientespasos:

Se coloca la mano derecha (palma) en un planosuperior al conductor y paralelo al plano de la agu-ja magnética; siendo el sentido de la corriente, dela muñeca hacia los dedos; al extender el dedo pul-gar, el giro que efectúa tiene el mismo sentido queel giro de la aguja magnética y la posición del pul-gar aproximadamente coincide con el polo Nortede la aguja magnética.

Oersted, colocó la aguja de una brújula cerca de un alambre por donde nocirculaba corriente, como era de esperar la aguja se orientó en la direcciónNorte – Sur.

Al cerrar el circuito se produjo circulación de corriente eléctrica a través delalambre y como consecuencia la aguja de la brújula giró hasta situarse per-pendicularmente al conductor.De esta manera, Oersted establecía la relación entre la electricidad y el mag-netismo, originando de este modo el electromagnetismo.

Posteriormente, cuando este descubrimiento fuedivulgado; los demás científicos se dedicaron engran parte al estudio de este fenómeno, así como:Michael Faraday, André Marie Ampere, J.B. Biot F.Savart, etc.

CAMPO MAGNÉTICO (CAMPO MAGNÉTICO (CAMPO MAGNÉTICO (CAMPO MAGNÉTICO (CAMPO MAGNÉTICO (B) DE UNA) DE UNA) DE UNA) DE UNA) DE UNACORRIENTECORRIENTECORRIENTECORRIENTECORRIENTE

A) RECTILÍNEA

Toda corriente eléctrica rectilínea genera uncampo magnético, el cual puede ser represen-tado mediante líneas de fuerza que son cir-cunferencia concéntricas al conductor situa-dos en un plano perpendicular a la acción dela corriente. El sentido de la línea de la fuerzase determina mediante la siguiente regla:“Se toma el conductor” con la mano derecha demodo que el pulgar extendido señale el senti-

Magnetismo 345

do de corriente, el giro que hacen los dedos altomar el conductor tiene el mismo sentido quelas líneas de inducción.

B) CIRCULAR

Toda corriente eléctrica circular, genera uncampo magnético en determinado espacio.Nosotros nos ocuparemos de analizar el cam-po magnético en la línea recta perpendiculara su plano y que pase por el centro del círculo.

¿Cómo se calcula B?

Mediante la ley deAmpere:

Bi

ro= µπ2

µo= permeabilidadmagnética en el vacío.

Unidades en el S.I.

B i r µo

Tesla (T) Ampere (A) metro (m) 4π×10−7 T⋅m/A

Cálculo del Campo Magnético sobre un pun-to del Eje de la Espira

C) SOLENOIDE

Es aquel conjunto de espiras enrollados; si porél circula corriente eléctrica, éste genera en elinterior del solenoide un campo magnéticoconstante, mientras que en el exterior estecampo es pequeño.Si el número de espiras es grande y estas seencuentran apretadas entre sí, el campo es ho-mogéneo en todos los puntos, siempre que sulongitud sea mucho mayor que el diámetro delas espiras. Una aplicación directa de un sole-noide es el ELECTROIMÁN.

En el punto “O”(centro de la espira) x = 0

Bi

Ro= µ

2

ElectroimánEs un solenoide que lleva en su interior un materialferromagnético, comportándose el conjunto comoun imán. Esto se debe a que la presencia del mate-rial ferromagnético dentro del solenoide aumentaconsiderablemente el campo magnético (B).

Cálculo del Campo Magnético en el interior deun Solenoide

B ni nN

Lo= =µ ;

N : número de vueltasB : campo magnético (constante)

En el punto “P”:

BiR

R x

o=+

µ 2

2 2 3 22d i /

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FUERZA DE UN CAMPO MAGNÉTICOFUERZA DE UN CAMPO MAGNÉTICOFUERZA DE UN CAMPO MAGNÉTICOFUERZA DE UN CAMPO MAGNÉTICOFUERZA DE UN CAMPO MAGNÉTICO

A) SOBRE UNA CARGA MÓVIL

De lo estudiado hasta el momento, es fácil re-cordar que una carga en movimiento generaun campo magnético (Experimento deOersted), si dicha carga entra a otro campomagnético (B) se produce una interacción decampos magnéticos, las cuales originan unafuerza magnética en dicha carga, cuyo valordependerá de la magnitud de la carga, delcampo magnético B y de la velocidad que po-see; la dirección de la fuerza será perpendi-cular al plano que contiene B y v .

¿Cómo se determina el sentido de la fuerzamagnética?

F qvBsen= θ

Unidades en el S.I.

El sentido de la fuerza magnética sedetermina aplicando la regla de lamano izquierda.

También se puede utilizar el métodode la mano derecha. Este método esválido para cargas positivas, en casode tener cargas negativas el sentidode la fuerza magnética es contrarioal determinado por este método.

OBSERVACIONES

Cuando se tiene un campo magnético unifor-me y perpendicular al papel, se puede represen-tar de la siguiente manera.

B) SOBRE UN CONDUCTOR CONCORRIENTE ELÉCTRICA

Si un conductor con corriente eléctrica se en-cuentra en un campo magnético; sobre dichoconductor actúa una fuerza resultante que esperpendicular al plano determinado por lacorriente y el vector campo magnético.

F B q v

Newton Tesla Coulomb m/s

OBSERVACIONES

Si una carga positiva “q” es lanzada en el campocon velocidad v , perpendicular a B , se verificaráque la fuerza magnética está siempre perpendi-cular a la velocidad, y entonces hará variar sólola dirección de v , haciendo que la carga describaun movimiento circular uniforme, donde la fuer-za magnética viene a ser la fuerza centrípeta, así:

Rmv

Bq=

F iLBsen= θ

L : longitud del conductor

B , Apunta hacia el lector B, entra hacia la hoja de papel

Magnetismo 347

¿Cómo se determina el sentido de la fuerzamagnética?

Unidades en el S.I.

F i L B

Newton Ampere metro Tesla

C) ENTRE DOS CONDUCTORES DECORRIENTE ELÉCTRICA

Los conductores con corriente se ejercen fuer-zas entre sí debido a la interacción de sus cam-pos magnéticos. Los conductores se atraen silas corrientes que circulan por ellos son delmismo sentido y se repelen en caso contrario.

o Regla de la mano derecha

APLICACIÓN: EL MOTOR ELÉCTRICO DECORRIENTE CONTÍNUA

Es aquel dispositivo físico que transforma la ener-gía eléctrica en energía mecánica. Está basado enel torque sobre una espira con corriente.

F

L

i i

d= × −2 10 7

1 2

F

L= fuerza por unidad de longitud

OBSERVACIÓN

Si se coloca una espira dentro de un campomagnético, y por ella circula corriente eléctrica,se notará que entre AD y BC circula la mismacorriente pero en sentidos contrarios, lo cualorigina que se produzcan fuerzas opuestas ycomo consecuencia un par de fuerzas (torque),estas harán que dicha espira gire.

o Regla de la mano izquierda

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4

3

2

1

Explicación

Campo magnético+

Corriente eléctrica

Movimiento(energía mecánica)

UV|W|

Sobre la espira en posición horizontal se genera un par de fuerzas magnéti-cas cuyo torque hace girar dicha espira respecto al eje de rotación.

Las fuerzas magnéticas hacen girar la espira hasta colocarlas en un planovertical, en ese momento el torque se hace cero, sin embargo la inercia haceque la espira complete la media vuelta pese a que ahora las mismas fuerzasse oponen a que el movimiento continúe.

Para que el movimiento de rotación prosiga, las fuerzas magnéticas debe-rán cambiar de sentido. Así, en el tramo “x” inicialmente (fig. 1) la fuerzamagnética estaba dirigida hacia arriba, después de girar 180° (fig. 3) dichafuerza deberá dirigirse hacia abajo.Para que esto suceda se invierte la dirección de la corriente en la espira (vercomo el conmutador cambia de polaridad cada 180° de giro).

Situación parecida a la figura “2”

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICAINDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICAINDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICAINDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICAINDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Es aquel fenómeno físico que consiste en produciruna corriente eléctrica por medio de un campomagnético variable.

A) EXPERIMENTO DE FARADAY

Después del descubrimiento de Oersted enel cual se demostraba que una corriente eléc-trica genera a su alrededor un campo mag-nético, Michael Faraday se preguntó si podríadarse el caso inverso: ¿Un campo magnéticopodría generar corriente eléctrica?En el año 1 831, Faraday determinó experi-mentalmente que todo campo magnéticovariable que interactuase con un circuito eléc-trico cerrado, produce en él una corrienteeléctrica denominada corriente inducida.

Magnetismo 349

Causa: aumento en el campo magnético.Consecuencia: Oposición, o sea rechazo (polos iguales) luego la cara de la es-pira cerca al imán actuará como polo Sur.

B) LEY DE LENZ

“La corriente que se induce en un circuito tie-ne sentido tal que se opone a la causa que loproduce”.

Causa: Aumento en el campo magnético.Consecuencia: Oposición, o sea rechazo (polos iguales) luego la cara de laespira cerca al imán actuará como polo Norte.

C) FLUJO MAGNÉTICO (φ)

Es una medida del número de líneas de cam-po magnético que atraviesan un área.

Causa: Disminución del campo magnéticoConsecuencia: Oposición, o sea atracción (polos diferentes), luego la cara dela espira cerca al imán actuará como polo Sur.

Causa: Disminución del campo magnéticoConsecuencia: Oposición, o sea atracción (polos diferentes) luego la cara dela espira cerca al imán actuará como polo Norte.

Si el Campo B es Perpendicular al Área A:

φ = BA

En General φ α= BAcos

Unidades en el S.I.

φ B A

Weber (Wb) Tesla (T) metro cuadrado (m2)Causa: Aumento en el campo magnéticoConsecuencia: Oposición, o sea rechazo (polos iguales), luego la cara de laespira cerca al imán actuará como polo Sur.

Normal

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D) LEY DE FARADAY: FUERZAELECTROMOTRIZ INDUCIDA (ε)

Cuando el flujo magnético (φ) encerrado porun circuito varía, se induce una f.e.m. (ε) en elcircuito, proporcional a la rapidez del cambiodel flujo y al número de espiras.

N : número de espiras∆t : intervalo de tiempoε = fuerza electromotriz inducida

GENERADORES ELÉCTRICOSGENERADORES ELÉCTRICOSGENERADORES ELÉCTRICOSGENERADORES ELÉCTRICOSGENERADORES ELÉCTRICOS

Son aquellos dispositivos que transforman la ener-gía mecánica en energía eléctrica.

A) GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA

La espira o conjunto de espiras, giran por ac-ción del movimiento de rotación de una ma-nivela, la cual con ayuda del campo magnéti-co B produce energía eléctrica.

Unidades en el S.I.

ε φ= − Nt

∆∆

Las fórmulas que la rigen:

ε ω θ= NBA sen

iNBA

Rsen= ω θ

Donde:

ε ∆φ ∆t N

voltio (v) Weber (Wb) segundo (s) Adimensisonal

ε ωmax = NBA

Explicación:

2

θ = °90ε ε ε= ° =max maxsen 90

i i sen i= ° =max max90

Cuando la espira gira, se ge-nera una corriente eléctrica“i” en el sentido que se indi-ca y una f.e.m. “ε” inducida.

θ = °0

1

ε ε= ° =maxsen 0 0

i i sen= ° =max 0 0

iNBA

Rmax = ω

∆φ = φf − φ

i

Magnetismo 351

3

En este instante es cuando“i” cambia de sentido y “ε”cambia de polaridad.

θ = °180ε ε= ° =maxsen180 0

i i sen= ° =max 180 0

Como es de suponer, los ciclos se suceden uno trasotro, y como quiera que la corriente inducida sealterna de sentido, la corriente generada toma elnombre de corriente alterna, a este tipo de genera-dor, muchos la llaman alternador.

θ = °270Como se verá, el casoes similar al 3, pero elsentido de “i” ha cam-biado.

ε ε ε= ° = −max maxsen 270

i i sen i= ° = −max max270

Si tabulamos:

θ 0° 90° 180° 270° 360°

ε 0 εmax 0 −εmax 0

i 0 imax 0 −imax 0

Graficando:

B) GENERADOR DE CORRIENTE CONTÍNUA

Este tipo de generador es un motor de corrien-te contínua operado a la inversa. Sin embargotambién es posible afirmar que el generadorde corriente contínua es similar al de la corrien-te alterna para lo cual tan sólo hay que rectifi-car o conmutar la corriente, para ello se utilizados conmutadores, (formado por sus dossemianillos) de modo que en la espira se pro-duce un cambio de sentido de la corriente in-ducida, los extremos de la espira pasan de unsemianillo al otro. Así se consigue obtener unasalida de voltaje constante y la corriente desalida siempre en el mismo sentido.

TRANSFORMADOR

Es un aparato que permite elevar o disminuir elvoltaje de una corriente alterna. Consiste en unaarmadura o núcleo de hierro, que lleva un conjun-to de espiras: la bobina primaria n1 y la bobina se-cundaria n2 vueltas.Al aplicar una f.e.m. (ε1) a la bobina primaria, unacorriente alterna circulará por las espiras del prima-rio y se establecerá un campo magnético variable

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en el interior del núcleo de hierro, esto se transmi-tirá, a la bobina secundaria, ahora como dicho cam-po magnético es variable se inducirá en la bobinasecundaria una corriente (también alterna) y se pro-ducirá una f.e.m. (ε2); se cumplirá entonces:

n1 : número de espiras en el primario

n2 : número de espiras en el secundario

εε

1

2

1

2

= n

n

Michael Faraday

Nació en Inglaterra en el año 1 791, empezó adedicarse a la investigación científica cuando traba-jaba en el laboratorio de un químico, lo cual le dió laoportunidad de realizar grandes descubrimientos enquímica, posteriormente trabajó en el laboratorio delRoyal Institution de Londres en el cual llegó a serDirector.

Contemporáneo a él, Hans Cristiam Oersterd ha-bía descubierto que una corriente eléctrica origina uncampo magnético en sus inmediaciones.

En 1 823 Oersted y Faraday se conocieron y desdeentonces tuvieron vinculación científica.

En 1 821 Faraday dió sus primeros pasos en el cam-po del electromagnetismo, era posible el caso inversoal descubrimiento de Oersterd.

En 1 831, observó que al mover un imán cerca deuna bobina fija, se inducía una corriente eléctrica endicha bobina,. Ello se cristalizó en lo que hoy se llamala “Ley de Faraday” posteriormente madurada por H. Lenz.

Con ello Faraday se convertiría en uno de los precursores de la aparición de los motores eléctricos yel generador de corriente alterna, dispositivos que hoy en día tiene uso masivo, el primero en la mayoríade los equipos mecánicos e industriales y el segundo que genera la corriente eléctrica que casi todosusamos.

Michael Faraday falleció en 1 867 a los 77 años.

Michael Faraday

Magnetismo 353Ciencia y Tecnología 353

La maLa maLa maLa maLa magnetitagnetitagnetitagnetitagnetita

Es conocida como imán natural y tiene la propiedad de atraer alhierro, acero, cobalto, níquel, entre otras aleaciones, éstos pue-den convertirse a su vez en imanes en presencia de un trozo demagnetita.Sin el imán, los equipos de sonido, los micrófonos, los casetes,los disquetes, los timbres, los teléfonos, los televisores entreotros, no servirían.

La brújulaLa brújulaLa brújulaLa brújulaLa brújula

Corriente inducuidaCorriente inducuidaCorriente inducuidaCorriente inducuidaCorriente inducuida

Es aquel instrumento que se utiliza para determinar el meridianomagnético, está constituida por una caja metálica no magnética,en cuyo interior hay una aguja imantada con un transportador.

Se suele usar en la topografíacon mucha frecuencia para de-terminar la orientación de unalineamiento.

En el momento de cerrarel circuito, la intensidad decorriente eléctrica “I” em-pieza a crecer y el campomagnético “B” también cre-ce en el sentido indicado.El campo magnético varia-ble origina una corrienteinducida “i” en la espira-foquito, motivo por el cualel foco se enciende.

Jorge Mendoza Dueñas354 Ciencia y Tecnología354

El transfEl transfEl transfEl transfEl transf ormadorormadorormadorormadorormador

La cinta maLa cinta maLa cinta maLa cinta maLa cinta ma gnetofónicagnetofónicagnetofónicagnetofónicagnetofónica

El casete o cinta magnetofónica contiene una delgada cin-ta plástica cubierta de diminutos granos de metal (gene-ralmente, óxido de hierro). Normalmente, éstos están endesorden, pero cuando se graba un sonido en la cinta, losgranos se magnetizan y se disponen en un patrón regularque presenta una imagen del sonido. Para poder escucharel registro sonoro, la cinta debe pasar por el cabezal delectura, donde las partículas magnetizadas producen señales

eléctricas que se amplifican y son enviadas hasta los parlantes que producen el sonido.

El motor eléctricoEl motor eléctricoEl motor eléctricoEl motor eléctricoEl motor eléctrico

Campo magnético + electricidad = movimiento

Está expresión, es el principio del motor eléctrico, el mo-tor genera movimiento rotacional el cual es aprovecha-do de muchas formas según nuestra conveniencia.

La central hidrLa central hidrLa central hidrLa central hidrLa central hidr oeléctricaoeléctricaoeléctricaoeléctricaoeléctrica

Campo magnético + movimiento = electricidad

El agua antes de caer, posee energía potencial, al llegar alas turbinas lo hace con energía cinética (movimiento); allíes recibido por un campo magnético, generando así la bus-cada energía eléctrica.

Permiten elevar o disminuir el voltaje deuna corriente. Los hay de diferentes tipos

y tamaños. En el recorrido de la corriente eléctrica desde la central hidroeléctrica hasta nuestracasa existe un buen número de transformadores.