Programa de electrotecnia II

2. Electromagnetismo
3. Fuerza electromotriz inducida
4. Tensiones e intensidad variables en función del tiempo

1. MAGNETISMO

DESCUBRIMIENTO DEL MAGNETISMO.

Desde la más remota antigüedad se tenía conocimiento de que un mineral, la magnetita (óxido ferroso-férrico), tenía la propiedad de atraer al hierro.

A esta propiedad se le llama magnetismo, e imanes a los cuerpos que la poseen. Gracias al conocimiento del imán natural (magnetita), pudo construirse la brújula. Se observó que un cuerpo magnético puede comunicar su propiedad al hierro (imantar). En el caso del hierro, la imantación cesa cuando se vuelve a separar del imán que la causó; en cambio, el acero, una vez imantado mantiene el magnetismo. Todos estos fenómenos encuentran su explicación en la teoría eléctrica del magnetismo.

1.1 INTRODUCCION AL CONOCIMIENTO DE LOS IMANES

TEORIA ELECTRICA DEL MAGNETISMO.

Las experiencias de Oersted demostraron que una corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento), producen efectos magnéticos (por ejemplo, es capaz de desviar una brújula). Experiencias posteriores vinieron a demostrar que, efectivamente, una corriente crea un campo magnético, y un campo magnético puede crear una corriente, de tal manera que existe una interacción entre campo magnético y campo eléctrico. En el caso de los imanes naturales, o de los cuerpos imantados, la corriente que origina el magnetismo es el conjunto de todas las corrientes elementales que son los electrones girando alrededor de sus núcleos. En la mayoría de las sustancias, estos imanes elementales están desordenados, cada uno orientado en una dirección del espacio, por lo que su resultante es nula, y no presentan magnetismo. En ciertas sustancias, estos pequeños dominios magnéticos pueden orientarse muy fácilmente, debido a influencias externas (puede ser el mismo magnetismo terrestre); cuando varios dominios elementales magnéticos se orientan en una misma dirección espacial, su resultante ya no es nula, y el cuerpo resulta imantado.

Los cuerpos cuyos dominios magnéticos son fácilmente orientables (son fáciles de magnetizar) se llaman PARAMAGNETICOS. Aquellos otros que, por el contrario, resultan difícilmente o nada imantables, se llaman DIAMAGNETICOS.

Existe un grupo de materiales (hierro, cobalto, níquel y compuestos especiales) que son extremadamente paramagnéticos. Dado que el hierro es el primero que se descubrió con tal comportamiento, estos materiales reciben el nombre de FERROMAGNETICOS.

1.1.2 TIPOS DE IMANES (MAGNETISMO TERRESTTRE)

El magnetismo de los imanes

El estudio del comportamiento de los imanes pone de manifiesto la existencia en cualquier imán de dos zonas extremas o polos en donde la acción magnética es más intensa. Los polos magnéticos de un imán no son equivalentes, como lo prueba el hecho de que enfrentando dos imanes idénticos se observen atracciones o repulsiones mutuas según se aproxime el primero al segundo por uno o por otro polo.

Tipos de imanes.

ALNICO: Fabricados por fusión / sinterización, compuesto por un 8% de Aluminio, un 14% de Níquel, un 24% de Cobalto, un 51% de Hierro y un 3% de Cobre. Son lo que presentan mejor comportamiento a temperaturas elevadas, aunque son susceptibles de desmagnetización. Tienen la ventaja de poseer un buen precio, aunque no tienen mucha fuerza.

DE FERRITA: Fabricados con Bario y Estroncio. Están compuestos de aproximadamente un 80 % de Óxido de Hierro y de un 20% de Óxido de Estroncio (óxidos cerámicos). Son resistentes a muchas sustancias químicas, disolventes y ácidos. Pueden trabajar a temperaturas de -40 º C a 260º C. Las materias primas son de fácil adquisición y de bajo coste. Son resistentes a muchas sustancias químicas, como por ejemplo a los disolventes, lejías, y ácidos débiles.

DE TIERRAS RARAS: Son metálicos, con una fuerza de 6 a 10 veces superior a los materiales magnéticos tradicionales, y con temperaturas de trabajo varían según el material. En Neodimio, su temperatura de trabajo puede llegar de 90ºC hasta 150ºC, en Samario-Cobalto, pueden llegar hasta 350ºC. La utilización de estos imanes está condicionada por la temperatura. Para evitar problemas de oxidación en los Neodimio, se recubren según necesidades, los imanes de Samario no presentan problemas de oxidación.

Para distinguir los dos polos de un imán recto se les denomina polo norte y polo sur. Esta referencia geográfica está relacionada con el hecho de que la Tierra se comporte como un gran imán. Las experiencias con brújulas indican que los polos del imán terrestre se encuentran próximos a los polos Sur y Norte geográficos respectivamente. Por tal motivo, el polo de la brújula que se orienta aproximadamente hacia el Norte terrestre se denomina polo Norte y el opuesto constituye el polo Sur. Tal distinción entre polos magnéticos se puede extender a cualquier tipo de imanes.

1.1.3 FENOMENOS FISICOS (ESPECTRO MAGNETICO)

Cuando se espolvorea en una cartulina o en una lámina de vidrio, situadas sobre un imán, limaduras de hierro, éstas se orientan de un modo regular a lo largo de líneas que unen entre sí los dos polos del imán. Lo que sucede es que cada limadura se comporta como una pequeña brújula que se orienta en cada punto como consecuencia de las fuerzas magnéticas que soporta. La imagen que forma este conjunto de limaduras alineadas constituye el espectro magnético del imán.

El espectro magnético de un imán permite no sólo distinguir con claridad los polos magnéticos, sino que además proporciona una representación de la influencia magnética del imán en el espacio que le rodea. Así una pareja de imanes enfrentados por sus polos de igual tipo dará lugar a un espectro magnético diferente al que se obtiene cuando se colocan de modo que sean los polos opuestos los más próximos. Esta imagen física de la influencia de los imanes sobre el espacio que les rodea hace posible una aproximación relativamente directa a la idea de campo magnético.

1.1.3.1 LINEA DE FUERZA MAGNETICA

La línea de fuerza del campo magnético es aquella que indica la dirección en la que se orientará una pequeña brújula (considerada como un elemento de prueba) situada en tal punto. Así las limaduras de hierro espolvoreadas sobre un imán se orientan a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético correspondiente y el espectro magnético resultante proporciona una representación espacial del campo. Por convenio se admite que las líneas de fuerza salen del polo Norte y se dirigen al polo Sur.

1.1.3.2 ATRACCION Y REPULSION

Las experiencias con imanes ponen de manifiesto que polos del mismo tipo (N-N y S-S) se repelen y polos de distinto tipo (N-S y S-N) se atraen. Esta característica del magnetismo de los imanes fue explicada por los antiguos como la consecuencia de una propiedad más general de la naturaleza consistente en lo que ellos llamaron la «atracción de los opuestos».

Otra propiedad característica del comportamiento de los imanes consiste en la imposibilidad de aislar sus polos magnéticos. Así, si se corta un imán recto en dos mitades se reproducen otros dos imanes con sus respectivos polos norte y sur. Y lo mismo sucederá si se repite el procedimiento nuevamente con cada uno de ellos. No es posible, entonces, obtener un imán con un solo polo magnético semejante a un cuerpo cargado con electricidad de un solo signo. Dicha experiencia fue efectuada por primera vez por Petrus Peregrinus, sabio francés que vivió sobre 1270 y a quien se debe el perfeccionamiento de la brújula, así como una importante aportación al estudio de los imanes.

1.1.4 INDUCCION MAGNETICA

Como sucede en otros campos de fuerza, el campo magnético queda definido matemáticamente si se conoce el valor que toma en cada punto una magnitud vectorial que recibe el nombre de campo. La inducción magnética, se representa por la letra B y es un vector tal que en cada punto coincide en dirección y sentido con los de la línea de fuerza magnética correspondiente. Las brújulas, al alinearse a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético, indican la dirección y el sentido de la intensidad del campo B.

La obtención de una expresión para B se deriva de la observación experimental de lo que le sucede a una carga q en movimiento en presencia de un campo magnético. Si la carga estuviera en reposo no se apreciaría ninguna fuerza mutua; sin embargo, si la carga q se mueve dentro del campo creado por un imán se observa cómo su trayectoria se curva, lo cual indica que una fuerza magnética Fm se está ejerciendo sobre ella.