Magnetismo y еlectromagnetismo

Física

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miércoles, 28 de noviembre de 2012

Magnetismo y Electromagnetismo

Hace dos mil años aproximadamente, unos pastores de magnesia (ciudad antigua de Turquía), cuando conducían a sus corderos a cierto paso, sintieron una fuerte atracción hacia el suelo debido a la punta metálica de su bastón y a los clavos de sus calzado, que les dificulto seguir caminado. Interesados por encontrar la causa removieron la tierra y descubrieron una roca negra, la cual atraía el hierro.

Hoy esta roca recibe el nombre de pueda imán o magnética; químicamente es un mineral de oxido de hierro cuya fórmula es

Más adelante, la gente descubrió que al colgar libremente de un hilo un pedazo largo y delgado de la roca negra de magnesia, esta daba varias vueltas hasta detenerse y apuntar siempre el mismo extremo hacia el polo norte geográfico y el otro al polo sur; por ellos la usaron como brújula con el propósito de orientarse durante largos viajes. Existen bases para suponer que en año 121 a.C. los chinos usaban el imán como brújula.

William Gilbert (1540-1603) demostró que la tierra se comporta como un enorme imán, también demostró que cuando un imán se rompe e varios trozos, cada uno de convierte en un nuevo imán con sus respectivos polos magnéticos. Por tanto, no existen polos magnéticos separados, contrarios a las cargas eléctricas que si se separan.

Gilbert demostró que los polos iguales se rechazan y polos diferentes se atraen.

El campo magnético de un imán es la zona que lo rodea y en el cual si influencia puede detectarse. Faraday imagino que de un imán salían hilos o líneas que se esparcían, a estas las llamo líneas de fuerza magnética. Dichas líneas aumentan en los polos, pues ahí es mayor la intensidad magnética.

Actualmente se sabe que la atracción ejercida por la roca negra sobre la punta metálica del bastón de los pastores se debió a su propiedad magnética. Magnetismo es la propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, al níquel y al cobalto.

La importancia de los imanes y del magnetismo es muy grande porque se utilizan en muchos aparatos, tales como: timbres, alarmas, teléfonos, conmutadores, motores eléctricos, brújulas y separadores de cuerpos metálicos de hierro, entre otros.

Propiedades y características de los diferentes tipos de imanes.

A finales del siglo XVI los sabios empezaron a descubrir el porque del magnetismo y comprender el funcionamiento de la brújula (figura 13.1).

William Gilbert (1540-1603), medico e investigador ingles, demostró con sus experimentos que la tierra se comporta como un imán enorme, por tanto obliga a un extremo de la brújula a apuntar al norte geográfico. Gilbert nombro polo que busca el norte, a la punta de la brújula que señala ese punto, y polo que busca el sur, al otro extremo; actualmente solo se les llama polo norte y polo sur. También demostró que cuando un imán se rompe en varios pedazos, cada uno se transforma en uno nuevo con sus dos polos en cada extremo.

Gilbert descubrió cómo interactúan los polos de los imanes y demostró que polos iguales se rechazan y polos distintos se atraen. Realizo experimentos con trozos de hierro sin imantar y encontró que eran atraídos indistintamente por los polos norte y sur. Finalmente, observo que la fuerza de atracción o se repulsión entre imanes es mucho mayor en los polos (figura 13.2).

Imanes permanentes y temporales.

La mayoría de los imanes utilizados ahora son artificiales, pues se pueden fabricar con una mayor intensidad magnética que los naturales, además de tener mayor solidez y facilidad para ser moldeados según se requiera. No todos los metales pueden ser imantados y otros, aunque pueden adquirir esta propiedad, se desimantan fácilmente, ya sea por efectos externos o en forma espontanea. Muchos imanes se fabrican con aleaciones de hierro, níquel y aluminio; hierro con cromo, cobalto, tungsteno o molibdeno.

La imantación de un trozo de acero, como una aguja, unas tijeras o un desarmador, se hace fácilmente al frotar unas doce veces cualesquiera de ellos con un imán, desde el centro del cuerpo hasta la punta. Después de esta operación cualquiera de ellos será un imán y podrá atraer limaduras de hierro, clavos, tornillos, alfileres o clips. En la industria, una barra de metal se imanta al someterla a la acción de un cuerpo magnético producido por un solenoide en el que circula una corriente eléctrica. Si la barra es de hierro dulce, se imanta, pero la imantación cesa al momento de interrumpir la corriente, por ello recibe el nombre de imán temporal (figura 13.3), Cuando la barra es de acero templado adquiere una imantación la cual persiste incluso después que la corriente eléctrica se interrumpe en el solenoide, con lo cual se obtiene un imán permanente.

Campo magnético.

El inglés Michael Faraday (1791-1867) estudio los efectos producidos por los imanes. Observo que un imán permanente ejerce una fuerza sobre un trozo de hierro o sobre cualquier imán cercano a él, debido a la presencia de un campo de fuerzas cuyos efectos se hacen sentir incluso a través de un espacio vacio. Faraday imagino que de un imán salían hilos o líneas que se esparcían, a estas las llamo líneas de fuerza magnética. Dichas líneas se encuentran mas en los polos pues ahí la intensidad es mayor.

Las líneas de fuerza producidas por un imán, ya sea de barra o de herradura, se esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al sur (figuras 13.4 y 13.5). A la zona que rodea un imán y en la cual su influencia puede detectarse recibe el nombre de campo magnético. Faraday señalo que cuando dos imanes se encuentran cerca uno de otro, sus campos magnéticos se interfieren recíprocamente.

Cuando un polo norte se cuenta cerca de uno sur, las líneas de fuerza se dirigen del norte al sur; cuando se acercan dos polos iguales, las líneas de cada uno se alejan de las del otro (figuras 13.6 y 13.7).

Densidad de flujo magnético.

El concepto propuesto por Faraday acerca de las líneas de fuerza es imaginario, pero resulta muy útil para dibujar los campos magnéticos y cuantificar sus efectos. Una sola línea de fuerza equivale a la unidad del flujo magnético en el sistema CGS y recibe el nombre de maxwell. Sin embargo, esta es una unidad muy pequeña de flujo magnético, por lo que en el Sistema internacional se emplea una unidad mucho mayor llamada weber y cuya equivalencia es la siguiente:

Un flujo magnético

que atraviesa perpendicularmente una unidad de área A recibe el nombre de densidad de flujo magnético o inducción magnética B (figura 13.8).

Por definición: la densidad del flujo magnético en una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza (o sea al flujo magnético) que atraviesan perpendicularmente a la unidad de área.

Matemáticamente se expresa:

Nota: la densidad del flujo magnético también recibe el nombre de inducción magnética.

En el SI la unidad de densidad del flujo magnético es el

el cual recibe el nombre de tesla (T) en honor del físico yugoslavo Nicolás Tesla (1856-1943).

Cuando el flujo magnético no penetra perpendicularmente un área, sino que lo hace con un cierto ángulo, la expresión para calcular la densidad del flujo magnético será:

En conclusión, la densidad del flujo magnético es un vector que representa la intensidad, dirección y sentido del campo magnético en un punto.

Resolución de problemas de flujo magnético.

1. En una placa circular de 3 cm de radio existe una densidad de flujo magnético de 2 teslas. Calcular el flujo magnético total a través de la placa, en webers y maxwells.

2. Una espira de 15 cm de ancho por 25 de largo forma un ángulo de 27° respecto al flujo magnético. Determinar el flujo magnético que penetra por la espira debido a un campo magnético cuya densidad de flujo es de 0.2 teslas.

Ejercicios propuestos.

1. En una placa rectangular que mide 1 cm de ancho por 2 cm de largo, existe una densidad de flujo magnético de 1.5 T. ¿Cuál es el flujo magnético total a través de la placa en webers y maxwells?

2. Calcular el flujo magnético que penetra por una espira de 8 cm de ancho por 14 cm de largo y forma un ángulo de 30° respecto a un campo magnético cuya densidad de flujo es de 0.15 T.

Permeabilidad magnética e intensidad de campo magnético.

En virtud de que la densidad del flujo B en cualquier región particular de un campo magnético sufre alteraciones originadas por el medio que rodea al campo, así como por las características de algún material que se interponga en los polos de un imán conviene definir dos nuevos conceptos: la permeabilidad magnética y la intensidad del campo magnético H.

Permeabilidad magnética.

Es la propiedad que presentan algunos materiales, como el hierro dulce, en los cuales las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con mayor facilidad a través del material de hierro que por el aire o el vacio (figura 13.9). Esto provoca que cuando un

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