Bloque 4

Bloque 4
Relacionas la electricidad con el magnetismo
Introducción
En este bloque se expone los temas referenciales al magnetismo y se vincula con la electricidad. Se muestran las características de los imanes, sus diferentes tipos y la importancia que tienen en la comprensión de la fuerza magnética.


Magnetismo
El magnetismo como disciplina se desarrollo muchos siglos después con los experimentos de Ampere, Oersted, Faraday y Maxwell, quienes investigaron sobre las características de los fenómenos magnéticos.
El magnetismo representa un tópico de suma importancia en el estudio de la electricidad. Ambos fenómenos no pueden separarse ya que siempre que aparece una corriente eléctrica, existen magnetismos debidos a que las cargas en movimiento, es decir, la corriente eléctrica, que comportan como imanes produciendo campos magnéticos. 
El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres a alinearse paralelamente a un campo magnético.

Tipos de imán
Por su naturaleza existen 2 tipos de imán: naturales y artificiales. Los primeros con aquellos materiales que poseen fuerzas magnéticas al ser extraídas de la tierra, la magnetita. Los segundos son materiales que han sido imantados (magnetizados) de manera simulada, ya sea por frotación o inducción magnética, colocándolos dentro de una bobina por la cual pasa corriente eléctrica.

  
Los imanes también se clasifican por su duración, convirtiéndolos en permanentes o temporales. Los permanentes son imanes artificiales que han sido sometidos a algún tipo de tratamiento térmico y magnetizados por medio de corriente eléctrica. Los temporales son aquellos que, a pesar de ser magnetizados artificialmente, pierden su magnetismo casi inmediatamente después de ser retirados de la fuerza que los magnetiza.


Campo magnético

El campo magnético representa una región del espacio en la que una carga eléctrica puntual de valor q, que se desplaza a una velocidad , experimenta los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad v como al campo B. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente ecuación.

Donde F es la fuerza, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción magnética y densidad de flujo magnético. (Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto vectorial tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B). El módulo de la fuerza resultante será

La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad (la cual la podemos localizar en el espacio) de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro.

Las líneas del campo magnético al igual que las líneas del campo eléctrico, nunca se intersectan.


Electromagnetismo

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.

El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.

Campos magnéticos producidos por medio de una corriente eléctrica


Campo magnético producido en un conductor recto
 Al inducir una corriente eléctrica a través de un conductor, la línea de fuerza del campo magnético resultante, forman circunferencias concéntricas alrededor del mismo.


Campo magnético producido en una espiral

Espira

Una espira es un hilo conductor en forma de línea cerrada, pudiendo ser circular, rectangular, cuadrada, etc.

Si por la espira hacemos circular una corriente eléctrica, el campo magnético creado se hace más intenso en el interior de ella.

El sentido de las líneas de fuerza es el del avance de un sacacorchos que girase en el sentido de la corriente.

El solenoide
Un solenoide es un conjunto de espirales iguales (bobina), paralelas, de determinadas longitud (L) y por las que se induce una corriente eléctrica. El espectro magnético del campo creado por un solenoide es parecido al de un imán recto. Al igual que para la espiral de alambre, la regla de la mano derecha no. 2 indica el sentido de la corriente que circula a través de él.

Inducción electromagnética
Se conoce como inducción electromagnética al fenómeno de generar una fem inducida a partir de un campo magnético.
A partir del movimiento de la carga eléctrica a través del campo magnético se genera una fem, y para determinar su magnitud se debe considerar la intensidad del campo magnético B, la longitud L de la barra y la velocidad V con la que se mueve dicha barra respecto al campo magnético.

Ley 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:¹

Donde E es el campo eléctrico, dl es el elemento infinitesimal del contorno C,    

  B es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo 

borde es C. Las direcciones del contorno C y de dA están dadas por la regla 

de la mano derecha.

La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.

Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley:

Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.

En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en:

Donde V_ε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje inducido (el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.

Ley de Lenz

Ley: "El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce".

La Ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo; no obstante esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.

La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.

El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:

Donde:

§  o = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb).

§  B = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T).

§  S = Superficie del conductor.

§  a = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.

Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:

En este caso la Ley de Faraday afirma que la V_ε inducido en cada instante tiene por valor:

                                                 §  V_ε  

         

Donde V_ε es el voltaje inducido y dΦ/ dt  es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje inducido (el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.

Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año 1834.

El generador y motor eléctrico
El generador eléctrico es el dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica, mientras que el motor hace lo contrario: transforma la energía eléctrica en mecánica; ambos utilizan la interacción entre conductores en movimiento (bobina) y campos magnéticos.
En el generador elemental existe una espiral de alambre que gira a través de un campo magnético, a la cual se la llama armadura, y se conecta a un circuito externo a través de anillos deslizantes.
Los generadores de corriente directa se clasifican según el método de excitación empleado. Los generadores de excitación separada usan una fuente externa de corriente para magnetizar los campos. Los generadores autoexcitados utilizan la salida del mismo generador para excitar el campo.
Al generador de corriente alterna se le conoce como alternador; cuenta con un imán que genera el campo magnético y una bobina en la cual que se induce la fem.
Los motores de corriente directa se clasifican en:

·       De excitación independiente

·       De excitación serie

·       De derivación

·       De excitación compuesta (compund)

Un motor de corriente alterna esta constituido por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocado en la parte fija y otro en la parte móvil.

Inducción mutua y autoinducción
La inducción mutua es el fenómeno por el cual una corriente variable en un circuito induce una fem en otro. La variación de la intensidad de corriente en una bobina da lugar a un campo magnético variable, el cual origina un flujo magnético también variable que atraviesa la otra bobina e induce en ella.
El fenómeno de la autoinducción consiste en una inducción de la propia corriente sobre si misma. Una bobina aislada por la que circula una corriente variable puede considerarse atravesada por un flujo también variable debido a su propio campo magnético, lo que dará dular a una fem auto inducida.


Transformadores
Un transformador consta, en esencia, de dos bobinas arrolladas a un mismo núcleo de hierro. La bobina o arrollamiento donde se aplica la fem recibe el nombre del primario y la bobina en donde aparece ya transformada se denomina secundaria. El transporte de la electricidad a baja intensidad reduce considerablemente las perdidas en forma de calor.