Magnetismo y electromagnetismo

Imanes y propiedades magnéticasImanes y electroimanes. Polos magnéticos.

Campo magnéticoCampo y fuerza magnética.

Fuerza magnética sobre una cargaDefinición y cálculo.

Fuerza magnética sobre un conductorDefinición y cálculo.

Fuerza magnética en dos conductoresFuerza magnética entre conductores paralelos.

Campo magnético generado por una corrienteRegla del tirabuzón y cálculo del campo.

Ley de AmpereRelación entre la intensidad de la corriente y el campo.

FEM inducida en un conductor en movimientoFórmula y calculo.

FEM inducida en una espira (campo variable)Espira atravesada por un flujo variable.

Inductancia e inductoresInductores, fuerza electromotriz inducida.

FEM inducida en un solenoideFórmula y cálculo.

Energía almacenada en un inductorEnergía almacenada en un campo magnético.

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Imanes y propiedades magnéticas

El magnetismo es una propiedad por la cual los materiales se atraen o repelen de otros. Todos los materiales tienen propiedades magnéticas aunque sólo unos pocos las tienen en una medida mucho mayor que los demás y los denominamos magnéticos.  Los materiales magnéticos se clasifican según su comportamiento al acercarse a un imán o campo magnético.

Los materiales tienen momentos magnéticos, que podemos representar como pequeños vectores de fuerza. Cada uno de estos momentos magnéticos tiene una dirección y sentido. Si ante la aplicación de un campo magnético todos los momentos magnéticos se alinean de la misma forma, existe un momento magnético total resultante con la misma dirección y sentido que el resto. Los materiales que alinean sus momentos magnéticos ante la presencia de un campo magnético y los mantienen alineados, es decir que el material queda magnetizado, se denominan ferromagnéticos.

La facilidad con la que un material atrae y deja pasar a un campo magnético se denomina permeabilidad magnética. El grado en el que un material se magnetiza frente a un campo magnético se denomina susceptibilidad magnética.

ImanesLos materiales que tienen un campo magnético más notable que la mayoría se denominan imanes. Un imán puede ser natural o formado magnetizando un material con propiedades magnéticas como lo es el hierro. Un material (cuyas propiedades lo permitan) se magnetiza acercándolo a un campo magnético (por ejemplo a otro imán). Los imanes tienen dos polos llamados Norte y Sur. Si se divide un imán, éste vuelve a tener nuevamente dos polos.

ElectroimanesLos electroimanes son imanes que funcionan con una corriente eléctrica. Presentan sus propiedades magnéticas al circular esta corriente y se puede variar su intensidad variando la cantidad de corriente.

Campo magnético

Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magnéticas) sobre los materiales. Al igual que el campo eléctrico también es un campo vectorial, pero que no produce ningún efecto sobre cargas en reposo (como sí lo hace el campo eléctrico en dónde las acelera a través de la fuerza eléctrica). Sin embargo el campo magnético tiene influencia sobre cargas eléctricas en movimiento.

Si una carga en movimiento atraviesa un campo magnético, la misma sufre la acción de una fuerza (denominada fuerza magnética). Esta fuerza no modifica el módulo de la velocidad pero sí la trayectoria (ver fuerza magnética). Sobre un conductor por el cual circula electricidad y que se encuentra en un campo también aparece una fuerza magnética.

El campo magnético está presente el los imanes. Por otro lado, una corriente eléctrica también

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genera un campo magnético.

El campo magnético se denomina con la letra B y se mide en Tesla.

Fuerza magnética sobre una carga en movimiento

Sobre una carga eléctrica en movimiento que atraviese un campo magnético aparece una fuerza denominada Fuerza Magnética. Ésta modifica la dirección de la velocidad, sin modificar su módulo. El sentido se calcula por la regla de la mano derecha (índice = velocidad, mayor = campo, pulgar = fuerza, formando 90 grados entre cada uno de los tres dedos). El sentido de la fuerza es para cargas positivas. Si las cargas son negativas el sentido es el opuesto al obtenido con la regla de la mano derecha.

Valor de la fuerza magnética

Fm = q v B sen θ

q = Valor de la cargav = VelocidadB = Campo magnéticoθ = Angulo entre la velocidad y el campo

Fuerza magnética sobre un conductor

Sobre un conductor por el que circula una corriente eléctrica y que se encuentre dentro de un campo magnético también aparece una fuerza magnética. El sentido de la fuerza también se puede calcular por la regla de la mano derecha, considerando a la velocidad de las cargas positivas en la misma dirección del conductor.

El módulo de la fuerza se calcula como:

I = Intensidad de corriente (en Amper).l = Longitud del conductor dentro del campo.B = Campo magnético 

Si el conductor es paralelo al campo magnético, la fuerza es 0.

Fuerza magnética en dos conductores paralelos

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Si por dos conductores circula una corriente, cada uno sufrirá el efecto del campo magnético del otro. Si la corriente es de igual sentido aparece una fuerza de atracción entre ambos.

Campo magnético generado por una corriente

Una corriente que circula por un conductor genera un campo magnético alrededor del mismo. La dirección y el sentido del campo magnético alrededor de un conductor se determina por la regla del tirabuzón. La misma consiste en imaginar un tirabuzón que avanza representando a la corriente. Para hacerlo debe moverse girando en un determinado sentido. Ese es el sentido del campo magnético alrededor del conductor.

Para calcular el campo magnético alrededor de conductores se utilizan la Ley de Ampere y la Ley de Biot-Savart.

Ley de Ampere

La Ley de Ampere relaciona una intensidad de corriente eléctrica con el campo magnético que ésta produce. Se utiliza en conductores considerados teóricamente de longitud infinita, por ejemplo para calcular el campo alrededor de un conductor rectilíneo (a diferencia de otros, por ejemplo una espira cerrada, en dónde se utiliza la Ley de Biot-Savart).

μ0 = Constante de permeabilidad magnética

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i = Intensidad de la corrienteB = Campo magnéticodl = Diferencial de longitud del circuito que se toma alrededor del conductorθ = Angulo formado con el diferencial de longitud

FEM inducida en un conductor en movimiento

Sobre un conductor que se mueve atravesando un campo magnético aparece una fuerza electromotriz inducida. El valor de la misma se calcula como:

E = B l v

E = Valor de la FEMB = Campo magnéticol = Longitud del conductor dentro del campov = Velocidad del conductor

El sentido de la misma se calcula por la regla de la mano derecha. El sentido que se obtiene para la fuerza corresponde con el movimiento de cargas positivas. Para el siguiente ejemplo el campo es entrante y la velocidad hacia la derecha.

FEM inducida en una espira

Cuando una espira es atravesada por un flujo magnético variable, se induce una fuerza electromotriz sobre la misma. Una FEM puede ser inducida en una espira ya sea variando la intensidad de campo magnético que la atraviesa (por lo tanto variando el flujo), o moviendo la espira de tal forma que el campo incida de una forma distinta y cambie la intensidad de flujo que la atraviesa.

De forma general, por medio de la Ley de Faraday se determina que la FEM es igual a la variación de flujo sobre la variación de tiempo. Por medio de la Ley de Lenz se le agrega un signo negativo que indica que la FEM genera una corriente en sentido contrario a la causa que la produce.

Por otro lado si el campo magnético es constante pero la espira se mueve dentro del mismo girando de tal forma que se modifique el flujo, también se genera una FEM. Se analiza este caso en la sección de corriente alterna.

Inductores e inductancia

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Un inductor es un arrollamiento de un material conductor sobre un núcleo de aire o preferentemente de un material ferromagnético. Al igual que un capacitor, también almacena energía pero mientras que el capacitor lo hace en el campo eléctrico, el inductor lo hace en un campo magnético. 

Cuando circula una corriente eléctrica por el inductor, éste genera un campo magnético y por lo tanto un flujo magnético. Si el flujo es variable, puede inducirse en otra bobina cercana generando en ésta una fuerza electromotriz inducida.

Si se hace circular una corriente alterna a través del inductor, el campo magnético varía según la frecuencia de la tensión y por lo tanto el flujo es variable y puede inducirse en otro inductor. Si en cambio se hace circular una corriente continua, el flujo es únicamente variable cuando se crea el campo (al conectar la alimentación) y cuando el campo se autoinduce (al desconectar la alimentación) y por lo tanto si hay otro inductor, la FEM inducida aparece únicamente en esos dos instantes de tiempo.

FEM inducida en un solenoide

La relación entre la FEM inducida en un solenoide, la inductancia y la variación de la corriente en el tiempo se calcula como:

L = InductanciaΔI/ Δt = Variación de la corrienteV = Tensión o Fuerza Electromotriz

Energía almacenada en un inductor

Los inductores almacenan energía en el campo magnético. La misma se calcula como:

W = EnergíaL = Inductanciai = Corriente

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