Conceptos y Fenómenos Electromagnéticos

Conceptos y Fenómenos Electromagnéticos

• La electricidad y el magnetismo están intrínsecamente ligados, siendo imposible concebir la electricidad sin involucrar fenómenos magnéticos.
• El magnetismo se define como el fenómeno físico donde los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.

Electromagnetismo

• Estudia las interrelaciones entre fenómenos eléctricos y magnéticos.
• El efecto resultante de la rotación de los electrones sobre sí mismos genera un dipolo en el eje de movimiento de la partícula subatómica.
• El movimiento de electrones en orbitales se considera una corriente eléctrica en su mínima expresión.
• La rotación de electrones sobre sí mismos produce energía magnética.

Conceptos importantes

• Campo magnético: Es el espacio donde se manifiestan las fuerzas de origen magnético
• Inducción magnética: Es el fenómeno por el cual un material ferromagnético se imanta al estar cerca de un imán.

Propiedades Magnéticas de la Materia

• Las propiedades magnéticas son comunes a toda la materia, variando en grado según el material
• La respuesta de los materiales a campos magnéticos depende de su estructura interna y configuración electrónica.

Clasificación de sustancias según su comportamiento ante un campo magnético:

• Paramagnetismo: Materiales débilmente atraídos sin magnetismo propio ni retención de la propiedad magnética, con momentos magnéticos orientados al azar que se alinean temporalmente en un campo externo.
• Ferromagnetismo: Materiales como el níquel, hierro o cobalto con alta capacidad magnética y dipolos normalmente opuestos que se ordenan ante un campo, llegando a mantener la propiedad magnética temporalmente.
• Diamagnetismo: Materiales sin alteración ni interacción con campos magnéticos, repelidos por la orientación opuesta de sus momentos magnéticos inducidos.
• Ferrimagnetismo: Comportamiento similar al ferromagnetismo, pero con alineación parcial de momentos magnéticos en subredes cristalinas.

Imanes

• Imanes poseen un campo magnético propio debido a la orientación simétrica permanente de sus dipolos.
• Un imán es capaz de atraer materiales paramagnéticos o ferromagnéticos.

Tipos de imanes:

• Naturales o permanentes: Compuestos naturales ricos en hierro como la magnetita (óxido de hierro Fe3O4) cuya estructura cristalina potencia la propiedad magnética del hierro.
• Artificiales: Materiales con alta proporción de acero o hierro que adquieren propiedades magnéticas por frotamiento con un imán, influencia de un campo magnético o acción de una corriente eléctrica.

Características de los imanes

• Los imanes tienen polos norte y sur, y una zona neutra.
• La fuerza magnética se produce entre los dos polos.
• Las líneas de fuerza salen del polo norte y regresan por el polo sur (internamente van de sur a norte).
• Este recorrido de las líneas se conoce como circuito o campo magnético.
• Los polos del imán se alinean con los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como imán natural.

Campo Magnético, Flujo Magnético e Intensidad de Campo Magnético

• La Ley de Coulomb determina que la fuerza de repulsión al acercar dos imanes por polos iguales es directamente proporcional a la intensidad de sus campos magnéticos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
• Un campo magnético es producido por cargas en movimiento (corrientes eléctricas).
• El campo magnético también puede ser producido por imanes permanentes.
• El campo magnético causa generación de calor y caída de tensión

Definición de campo magnético

• Es la agitación que produce un imán en su entorno.
• Se representa con líneas de campo que parten del polo norte al polo sur en el exterior del imán, y viceversa en el interior.
• Las líneas no se cruzan y se separan del imán tangencialmente a la dirección del campo en cada punto.
• El circuito magnético es el recorrido de las líneas de fuerza.
• El flujo magnético es la cantidad de líneas que forman el circuito magnético.
• La intensidad del flujo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas

Densidad de flujo de campo magnético uniforme

• Β = Φ / S (B es la densidad de flujo, Φ es el flujo magnético y S es la superficie)
• La unidad de flujo magnético (Φ) es el Weber (Wb).
• Cuando la superficie no es perpendicular a la dirección del flujo, se utiliza la fórmula Φ = B · S · cos(α), donde α es el ángulo entre B y el vector perpendicular a la superficie.

Permeabilidad y Densidad de Flujo

• Los campos magnéticos se representan mediante la inducción magnética o densidad de flujo magnético (B).
• B se relaciona con la permeabilidad magnética (μ) mediante la fórmula B = μH.
• La permeabilidad magnética es la relación entre la densidad de flujo magnético (B) y el campo magnético (H).
• En la mayoría de los materiales, la permeabilidad es igual a la del vacío.

Unidades de medida

• En el Sistema Internacional (SI), la unidad es el Tesla (T) o sus fracciones como el microtesla (µT).
• En algunos países se usa el Gauss (G).
• 1 µT = 10-6 T
• 1 T = 10,000 G
• 1 µT = 10 mG
• La permeabilidad relativa (μr) es el resultado del producto entre la permeabilidad magnética y la permeabilidad de vacío (constante magnética): μr = μ / μ0.
• La permeabilidad magnética depende del medio, siendo μ0 la permeabilidad en el vacío. La mayoría de los materiales no magnéticos tienen permeabilidad μ = μ0

Campos Magnéticos Creados por Cargas Eléctricas en Movimiento

• El valor del campo magnético en un punto depende de la intensidad de la corriente eléctrica, la distancia al conductor y la forma del conductor.
• La dirección y sentido del campo magnético se determinan usando la regla de la mano derecha o de Ampere.
• Si se toma un conductor con la mano derecha con el pulgar apuntando en la dirección del flujo de electrones, los dedos indicarán la disposición de las líneas y el sentido de la fuerza magnética.
• La regla de Ampere sigue siendo válida con la mano izquierda para el sentido real de la corriente (de – a +).

Tipos de conductores y campos magnéticos:

• Hilo conductor rectilíneo: Crea un campo magnético circular alrededor del hilo y perpendicular a él.
• Hilo conductor en forma de espira: El campo magnético será circular y su dirección y sentido dependen del sentido de la corriente eléctrica.
• Hilo conductor enrollado en forma de hélice (bobina o solenoide): El campo magnético en su interior se refuerza y se concentra en la región central.

Aplicación

• Las bobinas se utilizan como electroimanes, donde la corriente eléctrica que circula a través de la bobina y un núcleo ferromagnético crean un imán temporal. Un mayor número de espiras aumenta el campo magnético.

Interacciones Electromagnéticas

• Tras el descubrimiento del fenómeno electromagnético, muchos científicos investigaron la interacción entre la electricidad y el magnetismo.
• André-Marie Ampère destaca por su ley de la electrodinámica (1826), de la que deriva la regla de la mano derecha, y por crear el primer método para medir la intensidad eléctrica, basado en la proporcionalidad entre corriente eléctrica y campo magnético. En su honor, la unidad de corriente se llama Amperio.
• En 1831, Michael Faraday se planteó la interacción inversa: si una corriente eléctrica produce un campo magnético, ¿puede un campo magnético producir una corriente eléctrica?
• En el experimento de Faraday se desplaza un imán dentro de un bobinado, o se mueve el campo magnético respecto al conductor eléctrico, aportando energía del movimiento al sistema.

Descubrimientos

• La intensidad del campo magnético de un imán disminuye conforme se aleja del mismo, concentrándose en los extremos (polos).
• Cuando el imán está en reposo dentro o cerca de la bobina, no se observa actividad.
• Al mover el imán dentro de la bobina aparece un voltaje, máximo cuando el imán está en el centro.
• Al acercar el imán, solo una parte de su campo magnético interacciona con la bobina, mientras que en el centro la interacción es máxima.
• Al superar la mitad del recorrido dentro de la bobina, se registra un cambio o inversión en la polaridad del voltaje.
• La diferencia de potencial es proporcional al número de espiras de la bobina.
• La Ley de Faraday establece que la tensión inducida en un circuito cerrado es directamente proporcional a la razón de cambio en el tiempo del flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito mismo como borde.

El Circuito Magnético

• En las máquinas eléctricas se utilizan circuitos de materiales ferromagnéticos para conducir los campos eléctricos.
• Tienen una permeabilidad más alta que el aire, lo que concentra el campo magnético dentro del material.
• Un circuito magnético es un camino cerrado de material ferromagnético sobre el que actúa una fuerza magnetomotriz.

Tipos de circuitos magnéticos:

• Homogéneos: Sustancia única, sección uniforme e inducción constante.
• Heterogéneos: Varias sustancias, secciones o inducciones distintas, con o sin entrehierros.
• En un circuito magnético se calcula la inducción magnética que ocasiona una corriente dada en un arrollamiento sobre un núcleo con forma, material y dimensiones conocidas.

Fuerza Electromagnética

• Cuando una carga eléctrica está en movimiento, crea un campo eléctrico y magnético.
• El campo magnético ejerce una fuerza sobre otras cargas en su radio de acción

Tipos

• En un hilo conductor rectilíneo atravesado por una corriente eléctrica en un campo magnético, se origina una fuerza electromagnética sobre el hilo.
• En una espira rectangular, aparecen pares de fuerzas de igual valor pero sentido opuesto en los lados perpendiculares al campo magnético, causando que la espira gire sobre sí misma.
• La dirección de esta fuerza se determina por la regla de la mano izquierda.
• Si la velocidad es paralela al campo magnético, la fuerza se anula y la trayectoria es rectilínea.
• Si la velocidad es perpendicular al campo magnético, la fuerza se calcula como F = QvB, resultando en una trayectoria circular.
• Si la velocidad es oblicua al campo magnético, la trayectoria será espiral.

Inducción Electromagnética

• Es el fenómeno por el que un material ferromagnético se imanta por contacto con un imán.
• Someter una bobina a un campo variable crea un voltaje o f.e.m. inducida en sus extremos.
• Al conectar los extremos de la bobina a un voltímetro y acercar un imán, el voltímetro indicará una tensión.
• La tensión desaparece al parar el imán y reaparece con polaridad invertida al alejarlo.
• El valor de la f.e.m depende de la intensidad del campo magnético, su velocidad o variación de flujo y el número de espiras de la bobina.
• La corriente inducida crea un campo en la bobina que se opone al movimiento del imán.

Aplicación

• Este experimento es el principio de los generadores inductivos y eléctricos (dinamos y alternadores), que hicieron posible la producción y el uso de la electricidad a gran escala.
• Con un movimiento del imán o un electroimán fijo variando la corriente que lo origina

Autoinducción Electromagnética

• Cuando una bobina está magnéticamente cargada, su campo magnético y la corriente que lo crea son constantes.
• Al aumentar o disminuir la corriente, la variación del campo autoinduce una tensión en contra de la variación. Al cerrar el interruptor, el campo magnético empieza a aparecer y se autoinduce una f.e.m. que se opone a la corriente de carga, estableciéndose progresivamente hasta alcanzar su máximo.
• Ebat/ Rbobina (Ebat= energia de la bateria, y Rbobina = Resistencia de la bobina)
• Al abrir el interruptor con la bobina totalmente cargada, el campo magnético disminuye bruscamente, autoinduciendo un pico de tensión que impide que la intensidad desaparezca instantáneamente, prolongándose durante un breve tiempo. Este fenómeno se llama extracorriente de apertura.