Conceptos de magnetismo
El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. El único imán natural conocido es un mineral llamado magnetita, sin embargo, todos los materiales son influidos, en mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. En algunos de ellos es más fácil detectar estas propiedades magnéticas, como por ejemplo el níquel, el hierro o el cobalto.
Cristales de magnetita
(imanes naturales).
Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por primera vez por los antiguos griegos, aunque durante siglos se creyó que las magnetitas contenían ciertas propiedades curativas. Hoy en día, los imanes son utilizados por la ciencia médica para, por ejemplo, medir la actividad cerebral a través de la magnetoencefalografía (MEG), o como terapia de choque para volver a iniciar corazones luego de un paro cardíaco.
¿Qué es un imán?
Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo y pueden ser naturales, como la magnetita, o artificiales. Los imanes también se clasifican en permanentes o temporales, según el material con el que se fabriquen o la intensidad de campo magnético al que son sometidos. Los imanes presentan dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza, situadas en los extremos y denominadas polos magnéticos: norte y sur.
Zonas del imán en los que la fuerza
magnética es mayor.
Historicamente se reconoce que los descubrimientos realizados por científicos de la talla de Ampère y Faraday sentaron las bases de los principios de conversión de la energía. A partir de los aportes del británico Michael Faraday comenzó el desarrollo del electromagnetismo, principio fundamental de las máquinas eléctricas, las que han desempeñado un rol fundamental en la mejora de la calidad de vida.
Comenzaremos con el estudio de los fenómenos magnéticos. Posiblemente todos, en alguna oportunidad, hemos experimentado con un imán permanente. Como hemos visto, los imanes presentan dos puntos de máxima fuerza: el polo norte y el polo sur. Cuando observamos las líneas del campo magnético creado por la influencia de un imán nos damos cuenta de que, al acercarse dos polos iguales, se rechazan. Mientras que si se acercan dos polos opuestos, la fuerza del campo magnético tiende a unirlos. Es importante notar que en el centro de los polos se presenta una fuerza nula.
Líneas de fuerza de campo magnético
producidas por un imán permanente.
Las líneas de fuerza del campo magnético no son más que la representación gráfica de la influencia magnética de dicho campo. Dichas líneas de fuerza, o líneas de flujo, tienen dirección y sentido: su origen es el polo norte y su fin es el polo sur. A mayor densidad de líneas, mayor es la fuerza magnética que experimentará un material ferroso en su cercanía, y viceversa.
Este efecto de atracción y repulsión tiene que ver con las líneas de campo magnéticas, que suelen ir del polo norte al sur. Cuando se acercan dos polos opuestos, estas líneas tienden a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Esta atracción será mayor o menor según sea la distancia entre los dos imanes. En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas líneas de campos se empiezan a comprimir hacia su propio polo. Cuando esta compresión es máxima, las líneas de campo tienden a expandirse, lo que provoca que los polos iguales de dos imanes no puedan acercarse y se repelan.
Efecto repulsión y atracción en imanes.
Otra característica de los imanes es que los polos no se pueden separar. Si un imán se rompe en dos partes no se obtienen un polo norte y un polo sur sino que se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur.
Efecto de un imán al ser divididos en varias partes.
La Tierra, un super imán
Si tenemos un imán suspendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma dirección. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imán se alinean según los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como un gigantesco imán natural.
Sentido de los polos magnéticos de la tierra.
Si tenemos un imán suspendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma dirección. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imán se alinean según los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como un gigantesco imán natural. Y su existencia ha sido aprovechada desde antiguo por los viajeros y navegantes, gracias a la brújula
En efecto, cuando salimos de viaje sabemos cuál es nuestro origen (de dónde partimos) y cuál será nuestro destino (a dónde llegaremos). Para orientarnos hacia ese sentido también debemos saber hacia qué dirección o rumbo saldremos: ¿hacia el norte?, ¿hacia el noreste?.
A la brújula se la conoce también con el nombre compás magnético.
La brújula es un instrumento que facilita la orientación: permite determinar direcciones horizontales o rumbos, es decir que con su auxilio podemos tomar la dirección deseada y encaminarnos hacia el norte, hacia el este, hacia el noroeste...Para calcular rumbos, la brújula cuenta con una rosa de los vientos (también conocida como limbo), donde se representan los puntos cardinales. Además, tiene un imán en forma de aguja que gira sobre un eje y marca siempre el norte magnético (la aguja imantada es atraída por el campo magnético del norte magnético, que se localiza relativamente cerca del polo norte geográfico). A la brújula se la conoce también con el nombre compás magnético.
Campo magnético, flujo magnético e intensidad de campo magnético
El campo magnético es la agitación que produce un imán a la región que lo envuelve. Se representa con líneas de campo que parten por el exterior del imán del polo norte al polo sur, y por su interior a la inversa, del polo sur al norte. Son líneas que no se cruzan y se separan unas de otras y del imán, tangencialmente a la dirección del campo en cada punto.
Detalle de un imán con la dirección de las líneas de campo.
c) cuerpo paramagnético, d) cuerpo ferromagnético.
Este recorrido de las líneas de fuerza es el circuito magnético y la cantidad que lo forman se llama flujo magnético. Su intensidad es inversamente proporcional al espacio entre las líneas (a menos espacio, más intensidad). O lo que es lo mismo: cuando mas apretadas están las lineas de campo, mayor es la intensidad.
En un campo magnético uniforme, la densidad de flujo de campo magnético (B) que atraviesa una superficie de area S, plana y perpendicular a las líneas de fuerza valdrá:
Donde la letra griega phi (Φ) es el flujo magnético y su unidad es el Weber (Wb)
En el caso de que la superficie atravesada por el flujo magnético no sea perpendicular a la dirección de éste tendremos que:
Donde alfa (α) es el ángulo que forma B con el vector perpendicular a la superficie.
Permeabilidad magnética
Ciertos materiales, como el hierro, el cobalto, el níquel o el wolframio, permiten establecer fácilmente las líneas de flujo magnético. Por este motivo, decimos que dichos materiales, o bien las aleaciones entre ellos, poseen alta permeabilidad magnética. Llamamos a esta constante característica del material permeabilidad, y la expresamos de la siguiente manera:
Donde $$ \mu $$ es la permeabilidad, $$ \mu_r $$ es el valor de la permeabilidad relativa, y $$ \mu_0 $$ es el valor de la permeabilidad del aire. De la ecuación anterior se deduce que la permeabilidad relativa es el resultado del cociente entre la permeabilidad magnética y la permeabilidad del vacío (constante magnética):
Podemos clasificar los distintos materiales de la naturaleza deacuerdo a su valor de permeabilidad relativa. Los materiales ferromagnéticos son aquellos cuyo valor de permeabilidad magnética relativa es mucho mayor a 1. Los paramagnéticos o no magnéticos poseen una permeabilidad relativa de aproximadamente 1 , la misma que la del vacío. Finalmente, los materiales diamagnéticos poseen un valor de permeabilidad magnética relativa inferior a 1.
Campo magnético en:
a) vacio, b) cuerpo diamagnético,
c) cuerpo paramagnético, d) cuerpo ferromagnético.
Los materiales ferromagnéticos son utilizados en los núcleos de transformadores y máquinas eléctricas, como veremos en otro capítulo. Su uso se explica debido a su fácil imantación y alta permeabilidad. Estas características los conviernten en una suerte de "guia" para las lineas de campo, permitiendo que circulen por su interior y no se dispersen.
Podemos ver cómo las líneas de flujo
quedan confinadas a la geometría del núcleo ferromagnético.