El magnetismo y qué lo causa
La denominación “magnetismo” procede de la antigua ciudad
de Asia Menor llamada Magnesia, en la que abundaba un mineral de hierro (la
magnetita), que atrae al mismo hierro.
¿Quién no ha tenido en sus manos un imán, comprobando
como atrae a objetos de hierro o acero?
El magnetismo es, justamente, la propiedad de atraer al
hierro o a otros metales magnéticos.
La característica magnética que tienen los electrones es
la causa del magnetismo. Por lo tanto el origen del magnetismo está en la
estructura atómica de la materia y, también, en el movimiento de las cargas
eléctricas.
Los electrones de los átomos de los cuerpos magnéticos
describen rotaciones alrededor de su propio eje, de forma qué engendran en el
espacio que los rodea una acción por la que atraen o repelen a otros cuerpos,
cuyos átomos también poseen electrones dotados de dichos movimientos de
rotación.
Así pues, el magnetismo no es, ni más ni menos, que un
caso particular de los fenómenos eléctricos.
¿Qué es el
imán?
El imán es la sustancia que tiene propiedad magnética.
La acción magnética del imán se manifiesta con mayor
intensidad en los extremos (polos), y disminuye hasta la región media o llamada
zona neutra, donde apenas tiene tal capacidad.
Los polos iguales se repelen y los distintos se atraen,
así entre los polos de los imanes se ejercen fuerzas de repulsión o atracción
de origen magnético.
Naturaleza del
imán
Si dividimos el imán en dos partes iguales observamos que
en los extremos del corte han aparecido dos nuevos polos magnéticos, y el imán primitivo
se ha transformado en dos imanes.
Si cada uno de estos pedazos se rompen en otros dos, se
obtendrán idénticos resultados.
Es pues, imposible separar los polos norte y sur de un
imán.
Se deduce de aquí que una barra imantada no es otra cosa más
que el resultado de asociar multitud de pequeños imanes elementales. Se podrá
decir que cada molécula del cuerpo magnético es un imán elemental.
Estados del
imán
Magnetizado totalmente
Si todas las moléculas se orientan ordenadamente, de
forma que sus acciones magnéticas se sumen, el cuerpo magnético se convierte en
un verdadero imán.
Desmagnetizado
Sus moléculas están dispuestas desordenadamente, de
manera que los campos magnéticos de las moléculas se anulan mutuamente, dando
como resultado una resultante magnética nula.
Magnetizado parcialmente
Pero si sólo son algunas las moléculas que se orientan,
el imán obtenido será débil. Esta orientación total o parcial de las moléculas,
depende de la intensidad magnética de la causa imanadora.
Clasificación
de los imanes
Según su naturaleza tenemos:
Imanes naturales
Como la magnetita u óxido de hierro, que presenta la
propiedad magnética por sí misma
Imanes artificiales
Son los cuerpos que adquieren la propiedad magnética,
tras haberles aplicado un proceso de imantación.
Por ejemplo la brújula (*) y el imán de herradura
Los imanes artificiales pueden dividirse en:
·
Imanes permanentes
Aquellos que mantienen su
propiedad magnética, aún después de cesar la causa que la ha producido. Se usan
en la construcción de motores eléctricos, como los del limpia-parabrisas de los
automóviles.
El material de los imanes
de herradura y brújulas es el ALNICO. Las nuevas tecnologías de materiales han
avanzado de forma notable poniendo en el mercado imanes permanentes muchísimo
más potentes:
- Las ferritas (pequeños
motores de automoción, cierres de puertas en muebles de cocina)
- Los imanes de tierras
raras (servomotores de altas prestaciones, robótica)
·
Imanes temporales
Son los que sólo son
capaces de atraer al hierro o al acero mientras dura la causa que ha producido
su imantación.
Se usan en la fabricación
de electroimanes para puertas de ascensor y motores eléctricos.
El material con que están
construidos es básicamente hierro dulce, es decir con bajo contenido de carbono
que es el que lo convierte en acero.
Suele tomar la forma de
planchas afiladas o también de ferritas sinterizadas -prensado de polvos y
posterior cocción en horno.
(*) La brújula
Está compuesta de una
aguja imantada sobre un soporte, de forma que puede girar libremente. Como todo
imán tendrá un polo norte y un polo sur, al igual que también lo tiene el
gigantesco imán, que es el planeta tierra.
Debido a ello la aguja de
la brújula siempre se orienta de forma que su polo Sur es atraído por el
inmenso polo Norte terráqueo, de manera que lo señala.
Se ha de evitar acercar otros imanes o masas de
hierro a la brújula, pues su aguja se vería
afectada por éste, y no por la tierra, dejando de señalar el Norte terráqueo
para señalar el norte del imán.
Imantación de la materia
Podemos obtener imanes artificiales
mediante imantación por frotamiento, contacto, influencia o mediante la
corriente eléctrica.
Imantación por
frotamiento
Si frotamos repetidas
veces un objeto de acero o material magnético duro con un imán y lo hacemos
siempre en el mismo sentido y con el mismo extremo, conseguiremos un imán
artificial por frotamiento.
Imantación por
contacto
Si se acerca un imán
hasta tocar a una barra de acero o material magnético duro, se ve cómo el imán
la atrae.
Aproximando después el
imán, con la barra adherida, a un objeto de acero, se observa cómo ambos lo
atraen, de modo que la barra se comporta como un segundo imán.
Esta propiedad se
conserva aunque se separen la barra y el imán primitivo, de modo que la barra
se ha imantado por contacto.
Imantación por
influencia o inducción magnética
Si se aproxima un imán a
una barra de acero o de hierro dulce, sin que lleguen a tocarse y se coloca un
objeto de acero junto a la barra, vemos que ésta lo atrae. Decimos que la barra
de acero o de hierro dulce se ha imantado por influencia.
Un caso particular de la
imantación por influencia es la que producen las bobinas por donde circula
corriente eléctrica, ver el apartado de electromagnetismo.
La Tierra, un gigantesco imán
Debido a las altas temperaturas,
y pese a las altas presiones, el centro de la tierra tiene un estado entre
líquido y sólido, que permite el movimiento del magma.
El magma contiene
sustancias magnéticas que están, pues, en movimiento. Así es como se origina el
gigantesco imán que es nuestro planeta Tierra.
La tierra constituye un
potente imán cuyos polos magnéticos están en las proximidades de los
geográficos. Las líneas de fuerza van del polo sur geográfico al Norte, siendo
el polo Norte magnético, por consiguiente, el polo sur geográfico de la Tierra.
La línea que une ambos
polos se denomina eje magnético terrestre y forma con el eje geográfico un
cierto ángulo.
El polo sur magnético
dista unos 1.200 Km del polo norte geográfico, mientras que el norte magnético
dista unos 1.300 Km del sur geográfico.
Si tomamos un imán y lo
suspendemos por su centro de gravedad, mediante un hilo, siempre toma una
dirección bien definida que coincide aproximadamente con el Norte-Sur
geográfico de la Tierra. Se debe a la acción del magnetismo terrestre.
La extremidad del imán
que señala al polo Norte de la Tierra recibe el nombre de polo Norte del imán,
y la que señala hacia el polo Sur se le da el nombre de polo Sur.
Declinación magnética
Al no encontrarse los
polos magnéticos y geográficos en el mismo lugar, la dirección marcada por el
imán, que se puede mover libremente en un plano horizontal, no coincide con el
meridiano geográfico, sino que forma con él un ángulo que se llama declinación
magnética.
Este ángulo es variable
para los distintos puntos de la Tierra, y dentro de un mismo punto varía de
unos años a otros.
Inclinación magnética
Si el imán se puede mover
libremente, según un plano vertical, y no queda completamente horizontal; forma
un ángulo con la línea del horizonte que se conoce con el nombre de inclinación
magnética.
Este ángulo es también
variable según la época y para los distintos puntos de la Tierra.
El campo magnético, Los imanes
Al igual que las cargas
de igual signo se repelen y las cargas de distinto se atraen, algo parecido
ocurre con los polos de los imanes.
La fuerza de atracción de
un imán se puede comprobar colocando unos clavos sobre una mesa, y acercando
por debajo de la misma un imán.
Desplazando el imán,
veremos que los clavos se mueven en el mismo sentido que aquél. O sea el imán
atrae sustancias magnéticas a cierta distancia.
Pero si alejamos el imán
de la mesa, a partir de cierta distancia los clavos no se moverán pese a qué
así lo haga el imán.
Esto se consecuencia de
que el imán causa la aparición de fuerzas magnéticas a su alrededor.
Representación del campo magnético
El campo magnético de un
imán es la región del espacio circundante en que se ponen de manifiesto fuerzas
de origen magnético.
Estas fuerzas irán disminuyendo
a medida que nos alejamos del imán, y se concentrarán en los extremos de éste,
siendo casi nulas en la línea neutra o centro del mismo.
Las líneas de fuerza del
campo magnético son la representación de éste campo.
Experimento para ver
las líneas de fuerza del campo magnético
Experimentalmente se
pueden ver las líneas de fuerza del campo magnético esparciendo limaduras de
hierro sobre una lámina de papel, debajo de la cual hay un imán. Al golpear
ligeramente el papel vemos como se alinean las limaduras.
Líneas de fuerza según el tipo de imán
Veamos diferentes líneas
de fuerza según el tipo de imán
y su interacción:
El sentido de las líneas
de fuerza es una convención.
Principales magnitudes magnéticas
Las principales
magnitudes magnéticas son:
·
El flujo magnético.
·
La inducción magnética.
·
La intensidad
magnética.
·
La permeabilidad
magnética.
·
La reluctancia
magnética.
El flujo magnético
Al número de líneas de fuerza magnética que atraviesan
una superficie, lo llamamos flujo magnético.
Nos da idea del poder del campo magnético, puesto que
cuanto mayor sea el número de líneas de fuerza, mayor será el valor de flujo y
mayor es la acción magnética que se origina.
Se representa por la letra griega fi (φ), y su unidad es
el Maxwell, en el sistema de unidades CGS.
Una superficie de, por ejemplo, 6 cm2 atravesada por 300 líneas de fuerza, implicará
un flujo de 300 Maxwells.
En el sistema de unidades MKS su unidad es el Weber (1
Maxwell = 10-8 Weber).
La inducción magnética
La inducción magnética es el número de líneas de fuerza
magnética que atraviesan un centímetro cuadrado de una superficie.
Se representa con letra B y su unidad es el Gauss, en el
sistema de unidades CGS.
Por ejemplo una superficie de 6 cm2 atravesada
por un flujo de 300 maxwell, tiene una intensidad de campo de 50 Gauss.
En el sistema de unidades MKS su unidad es el Tesla
(Tesla = Weber / m2).
Siendo: 1 Gauss = 10-4 Tesla.
La intensidad de campo magnético
Es la causa que produce el establecimiento del flujo
magnético en un circuito magnético concreto. Es decir, es quien mantiene las
líneas de fuerza o la inducción en una zona determinada del circuito.
Se representa por la letra H, y su unidad es el Oersted,
en el sistema de unidades CGS.
En el sistema de unidades MKS su unidad es el Amper -
vueltas / metro.
(1 Oersted = 103/π Amper - vueltas / metro)
Curiosidad:
En el circuito magnético de un electroimán, por ejemplo,
para doblar el flujo magnético, es decir, para establecer el doble de líneas de
fuerza hemos de doblar la H.
Para ello debemos hacer circular el doble de corriente
por la bobina excitadora o bien doblar el número de espiras o vueltas de la
bobina.
La unidad de H viene dividida por una distancia (metro)
porque como se comprenderá es más "intensa" una bobina corta que una
larga, siempre que tenga los mismos Amper · Vuelta.
La permeabilidad magnética
La permeabilidad puede definirse como la propiedad que
tienen ciertos cuerpos de dejar pasar por su interior las líneas de fuerza del
campo magnético.
La permeabilidad se expresa mediante un coeficiente de
permeabilidad que es característico de cada cuerpo introducido en el campo.
Este coeficiente de permeabilidad, representado por la
letra griega µ, viene dado por la relación entre la inducción B y la intensidad
del campo H. Siendo µ para el aire igual a 1.
Comentario:
Para el hierro es del orden de 10.000, es decir el hierro
es 10.000 veces mejor conductor del campo magnético que el aire.
La reluctancia magnética (R)
Es una magnitud similar a la resistencia eléctrica:
El cálculo de reluctancias es también similar al de la
resistencia eléctrica a base de combinaciones serie y paralelo.
La reluctancia magnética es difícil de determinar en la
práctica ya que el aire no es un buen aislante magnético.
Su unidad en el MKS es el Amper · vueltas / metro al
cuadrado.
Ley de Hopkinsons
La ley de Hopkinsons dice que N · I = φ · R donde:
N = número de vueltas conductor (vueltas)
I = intensidad que recorre el conductor (Amperios)
φ = flujo (Weber)
R = Reluctancia (Amper · vueltas/ Weber)
Esta ley es asimilable a la ley de Ohm V = R · I para la electricidad siendo:
V ↔ N · I
I ↔ ϕ
R ↔ R
Relaciones
entre las magnitudes magnéticas
Posibles
comportamientos a la acción magnética
No todos los cuerpos se comportan de igual manera cuando
están sometidos a la acción de un campo magnético, dependiendo en gran manera
de la naturaleza del mismo.
Así, según sea este comportamiento, se clasifican en
ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos.
Cuerpos ferromagnéticos
Son cuerpos ferromagnéticos aquellos que se
imantan bajo la acción de un campo magnético. El hierro, en sus diferentes
variantes, es el ejemplo más representativo. Además se incluyen el níquel, el
cobalto y algunas aleaciones en las que estos metales intervienen
Cuerpos diamagnéticos
Son cuerpos diamagnéticos aquellos que hacen disminuir la
intensidad del campo magnético en la zona ocupada por el cuerpo, es decir,
impiden en mayor o menor grado el paso del campo magnético.
Podemos decir que el cuerpo es menos permeable que el
aire para el paso de las líneas de fuerza.
Tal es el caso del bismuto, el antimonio, y el plomo en
menor grado.
Los superconductores se comportan como diamagnéticos casi
perfectos.
Cuerpos paramagnéticos
Son cuerpos paramagnéticos aquellos que hacen aumentar la
intensidad del campo magnético, y por consiguiente el número de líneas de
fuerza que representaba el campo primitivo se ha hecho mayor.
Presentan una permeabilidad magnética mayor que la del
aire que se toma como unidad.
Histéresis
magnética
Punto de saturación
La relación entre la intensidad del campo magnético y la
inducción del mismo, es la permeabilidad.
En el hierro la permeabilidad no tiene un valor fijo ni
expresable por una función elemental, su valor depende de la clase de hierro y
del estado de saturación del mismo.
Imaginemos una barra de hierro sometida a un campo magnético
de intensidad creciente.
Al aumentar la intensidad H aumenta la inducción
magnética adquirida por el hierro, hasta llegar al valor límite de saturación.
Una vez el hierro se encuentra saturado su inducción no
aumenta por más que se aumente la intensidad H.
Magnetismo remanente
Si alcanzando el punto de saturación S hacemos decrecer
el valor de H la curva no coincide con la obtenida, sino que queda por encima
de ella, lo que indica que al llegar la intensidad del campo a cero, el valor
de la inducción manifiesta la existencia de un cierto magnetismo:
Este magnetismo representado por OR corresponde al
magnetismo remanente que conserva el hierro.
La remanencia es prácticamente nula para el hierro dulce,
y toma diferentes valores para el acero y sus aleaciones.
Campo coercitivo
Para hacer desaparecer el magnetismo remanente, es
preciso someter la barra de hierro a una intensidad de campo negativa, es
decir, de sentido contrario al anterior.
Una vez llegado a un valor de intensidad de campo igual a
C, el magnetismo remanente pasará de R a 0.
Se observa que para que quede anulada la inducción se
precisa que la intensidad del campo tome el valor OC, que recibe el nombre de
campo coercitivo.
Ciclo de
histéresis magnética
La energía perdida se transformará en calor.
Continua en: Electricidad:
Magnetismo y Electromagnetismo (y Parte 2ª)
