CAMPO MAGNÉTICO

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN

U.E.A.I.D.C.I. “MODESTO SILVA”

CUMANÁ – ESTADO SUCRE

CAMPOS MAGNÉTICOS

CUMANÁ, ENERO DE 2014

INTRODUCCIÓN

El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que enlaza ambas fuerzas, se denomina teoría electromagnética.

La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo.

Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia.

CAMPO MAGNÉTICO

Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un vector axial, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales. El campo magnético es más comúnmente definido en términos de la fuerza de Lorentz ejercida en cargas eléctricas. Campo magnético puede referirse a dos separados pero muy relacionados símbolos B y H.

Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga eléctrica en movimiento y el momento magnético intrínseco de las partículas elementales asociadas con una propiedad cuántica fundamental, su espin. En la relatividad especial, campos eléctricos y magnéticos son dos aspectos interrelacionados de un objeto, llamado el tensor electromagnético. Las fuerzas magnéticas dan información sobre la carga que lleva un material a través del efecto Hall. La interacción de los campos magnéticos en dispositivos eléctricos tales como transformadores es estudiada en la disciplina de circuitos magnéticos.

CAMPO MAGMÉTICO DE LA TIERRA

El campo magnético terrestre (también llamado campo geomagnético), es el campo magnético que se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta el límite en el que se encuentra con el viento solar; una corriente de partículas energéticas que emana de Sol. Su magnitud en la superficie de la Tierra varía de 25 a 65 μT (microteslas) ó (0,25-0,65 G). Se puede considerar en aproximación el campo creado por un dipolo magnético inclinado un ángulo de 10 grados con respecto al eje de rotación (como un imán de barra). Sin embargo, al contrario que el campo de un imán, el campo de la Tierra cambia con el tiempo porque se genera por el movimiento de aleaciones de hierro fundido en el núcleo externo de la Tierra (la geodinamo). El polo norte magnético se desplaza, pero de una manera suficientemente lenta como para que las brújulas sean útiles en la navegación. Al cabo de ciertos periodos de duración aleatoria (con un promedio de duración de varios cientos de miles de años), el campo magnético de la Tierra se invierte (el polo norte y sur geomagnético permutan su posición). Estas inversiones dejan un registro en las rocas que permiten a los paleomagnetistas calcular la deriva de continentes en el pasado y los fondos oceánicos resultado de la tectónica de placas.

La región por encima de la ionosfera —que se extiende varias decenas de miles de kilómetros en el espacio— es llamada la magnetosfera. Esta nueva capa protege a la Tierra de los rayos cósmicos que destruirían la atmósfera externa, incluyendo la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta.

IMANES

Un imán es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes o metales ferromagnéticos (por ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones). Puede ser natural o artificial.

Los imanes mantienen su campo magnético para siempre, a menos que sufran un golpe de gran magnitud o se les aplique cargas magnéticas opuestas.

TIPOS DE IMANES – EJEMPLOS

Los imanes pueden ser: naturales o artificiales, o bien, permanentes o temporales. Un imán natural es un mineral con propiedades magnéticas (magnetita). Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo. Un imán permanente está fabricado en acero imantado. Un imán temporal, pierde sus propiedades una vez que cesa la causa que provoca el magnetismo.

Un electroimán es una bobina (en el caso mínimo, una espiral) por la cual circula corriente eléctrica.

Los imanes permanentes son los más comunes y los que utilizamos en el día a día, como los de la heladera. Se llaman permanentes porque una vez que han sido magnetizados siguen permanentemente con carga magnética, aunque sea menor. Suelen hacerse de material ferromagnético, un conjunto de átomos que tienen un campo magnético determinado en el que se refuerzan mutuamente.

Estos pueden clasificarse a su vez en cuatro tipos:

• Neodimio-hierro-boro

• Samario-cobalto

• Alnico

• De cerámica o ferrita

Los dos primeros son muy fuertes y difíciles de desmagnetizar, provienen de la serie Lathanoid de la tabla periódica. Se desarrollaron sobre todo entre 1970 y 1980. Los de alnico se popularizaron por la década de los '40, y a pesar de ser muy potentes, se desimantan con facilidad. Los últimos son los más populares desde 1960, ya que son bastante fuertes y difíciles de desmagnetizar, aunque su poder varía con la temperatura.

También se pueden clasificar en imanes moldeados por inyección -con varios tipos de polvo de resina y magnéticos, con menor poder magnético y con propiedades físicas similares al plástico- y flexibles, es decir utilizan una resina flexible como el vinilo, se producen en bandas planas y son inferiores en fuerza magnética.

Los imanes permanentes pueden hacerse de cualquier forma, aunque también es importante cómo están magnetizados. Ante el calor o el contacto con otro imán, los imanes permanentes pueden desimantarse.

Otro tipo de imanes son los imanes temporales, ya que actúan como tales dentro de un campo magnético fuerte. Un claro ejemplo son los clips o los clavos. También encontramos los electroimanes, un tipo de imanes muy fuertes que se forman colocando un núcleo de metal en el interior de una bobina de alambre que tiene corriente eléctrica. La polaridad de estos imanes depende del flujo de corriente, y son especialmente útiles cuando un imán debe estar encendido y apagado.

Por último, los súper imanes están hechos de bobinas de alambre de aleaciones metálicas especiales, que son superconductoras cuando se enfrían a temperaturas muy bajas.

INDUCCIÓN MAGNÉTICA

La inducción magnética o densidad de flujo magnético, cuyo símbolo es B, es el flujo magnético que causa una carga eléctrica en movimiento por cada unidad de área normal a la dirección del flujo. En algunos textos modernos recibe el nombre de intensidad de campo magnético, ya que es el campo real.

La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el tesla.

Está dado por:

donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga que se mueve a una velocidad v a una distancia r de la carga, y ur es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r).

o bien:

donde B es la densidad del flujo magnético generado por un conductor por el cual pasa una corriente I, a una distancia r.

La fórmula de esta definición se llama Ley de Biot-Savart, y es en magnetismo la equivalente a la Ley de Coulomb de la electrostática, pues sirve para calcular las fuerzas que actúan en cargas en movimiento.

LEY AMPERE

En física del magnetismo, la ley de Ampere, modelada por André-Marie Ampere en 1831, relaciona un campo magnético estático con la causa que la produce, es decir, una corriente eléctrica estacionaria. James Clerk Maxwell la corrigió posteriormente y ahora es una de las ecuaciones de Maxwell, formando parte del electromagnetismo de la física clásica.

La ley de Ampere explica, que la circulación de la intensidad del campo magnético en un contorno cerrado es igual a la corriente que lo recorre en ese contorno.

El campo magnético es un campo angular con forma circular, cuyas líneas encierran la corriente. La dirección del campo en un punto es tangencial al círculo que encierra la corriente.

El campo magnético disminuye inversamente con la distancia al conductor.

MOTORES DE INDUCCIÓN

Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en 1888.

El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: La diferencia entre el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor sino que está eléctricamente aislado. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos (en cortocircuito como dicen los electricistas) a cada extremidad del rotor. Están soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hamsters y por eso a veces se llama "jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla.

Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión.

El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estátor, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción.

La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor.

La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento o resbalamiento.

CONCLUSIÓN

Bueno como conclusión a todo esto que hemos visto podemos decir en resumen que, el magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. El magnetismo se utiliza para el diseño de todos los motores y generadores, y electroimanes; la palabra magnetismo tiene su origen en una isla del mar Egeo. El magnetismo de los materiales es el resultado del movimiento de los electrones dentro de sus átomos. Los átomos en el material magnético se orientan en una sola dirección y en los no magnéticos se orientan al azar.

Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. La fuerza magnética entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza magnética entre cargas en movimiento.

Los imanes pueden atraerse o repelerse al hacer contacto con otros; Son los extremos del imán y es donde está concentrado todo su poder de atracción. En la zona neutral, la fuerza de atracción es prácticamente nula. Los polos magnéticos son llamados polo norte y polo sur y todos los imanes tendrán 2 polos. Los polos iguales se repelen y los diferentes se atraen.

La permeabilidad magnética es la capacidad física del medio de permitir el paso de líneas de flujo.

La histéresis es el retraso de la magnetización con respecto a la intensidad magnética.

El momento de torsión es el trabajo que hace que un dispositivo gire cierto ángulo en su propio eje, oponiendo este una resistencia al cambio de posición. Los motores de corriente continua convierten la energía eléctrica en energía mecánica.

La Ley de inducción electromagnética de Faraday se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde.

Ley de Lenz: una corriente inducida fluirá en una dirección tal que por medio de su campo magnético se opondrá al movimiento del campo magnético que la produce. Si se realiza mas trabajo para mover el imán en la bobina, mayor será la corriente inducida y por lo tanto mayor será la fuerza de resistencia. Un generador transforma energía mecánica en energía eléctrica, es lo contrario de un motor.

El transformador es un elemento que aumenta o disminuye el voltaje en un circuito de corriente alterna. El transformador tiene 3 partes esenciales: una bobina primaria, una bobina secundaria y un núcleo de hierro dulce.

ANEXOS

CAMPO MAGNÉTICO

CAMPOS MAGNÉTICOS DE LA TIERRA

TIPOS DE IMANES

INDUCCIÓN MAGNÉTICA

LEY DE AMPERE

MOTORES DE INDUCCIÓN

BIBLIOGRAFÍA

• Richard Fitzpatrick (2007). «Ley de Ampere».

• Griffiths, David J. (1998). Introduction to Electrodynamics (3ª ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X.

• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5ª ed.). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0810-8.

• Tipler, Paul (2005). "Física para la ciencia y la tecnología). 5 edición. (Editorial Reverte)

• Jackson, John David (1962, 1975, 1998). Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-30932-X.

• Ir a ↑ Feynman, Richard P; Leighton, Robert B; Sands, Matthew Linzee; Gottlieb, Michael A. (1963) (en inglés). Feynman lectures on physics Vol II. Pearson/Addison-Wesley.

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