El electromagnetísmo

 

 

Electromagnetismo

 
Ferrofluido que se agrupa cerca de los polos de un magneto poderoso.

El electromagnetismo es la rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría. El electromagnetismo describe la interacción de partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos. La interacción electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo conocido. Las partículas cargadas interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones.

El electromagnetismo abarca diversos fenómenos del mundo real como por ejemplo la luz. La luz es un campo electromagnético oscilante que se irradia desde partículas cargadas aceleradas. Aparte de la gravedad, la mayoría de las fuerzas en la experiencia cotidiana son consecuencia de electromagnetismo.

Los principios del electromagnetismo encuentran aplicaciones en diversas disciplinas afines, tales como las microondas, antenas, máquinas eléctricas, comunicaciones por satélite, bioelectromagnetismo, plasmas, investigación nuclear, la fibra óptica, la interferencia y la compatibilidad electromagnéticas, la conversión de energía electromecánica, la meteorología por radar, y la observación remota. Los dispositivos electromagnéticos incluyen transformadores, relés, radio/TV, teléfonos, motores eléctricos, líneas de transmisión, guías de onda y láseres.

Los fundamentos de la teoría electromagnética fueron presentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell en 1865. 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, lo que ha sido considerada como la «segunda gran unificación de la física», siendo la primera realizada por Isaac Newton.

La teoría electromagnética se puede dividir en electrostática —el estudio de las interacciones entre cargas en reposo— y la electrodinámica —el estudio de las interacciones entre cargas en movimiento y la radiación—. La teoría clásica del electromagnetismo se basa en la fuerza de Lorentz y en las 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 a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de estas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares. La electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta interacción, que puede ser unificada con la interacción nuclear débil según el modelo electrodébil.

Espectro electromagnético.
 
 

Conductor recorrido por una corriente eléctrica

Si por un conductor rectilineo hacemos pasar una corriente, veremos que una brújula situada cerca NO se orienta de acuerdo al campo electrico terrestre, sino que tiende a colocarse normal al conductor.

Vemos pues que se forma en torno al conductor un campo pagnético compuesto por líneas de fuerza en forma de circunferencias concéntricas al conductor.

 

Espira recorrida por una corriente electrica

Un conductor recto produce un campo muy débil pues las líneas se dispersan. Cuando se quiere crear un campo más intenso se curva el conductor formando espiras de forma que las líneas de fuerza de los distintos tramos del conductor suman sus efectos formando un campo mucho más intenso en el interior de la espira.
 

Bobina recorrida por una corriente eléctrica

Si unimos varias espiras formando una bobina, las líneas de campo producidas por cada una de las espiras sumarán sus efectos, concentrándose el campo en el eje de la bobina, donde es máximo.

Para determinar el sentido de las líneas de fuerza del campo podemos aplicar de nuevo la regla de la mano derecha o la del sacacorchos, sólo que en este caso, el pulgar indica el sentido del campo cuando se coloca el resto de los dedos siguiendo el sentido de la corriente eléctrica al recorrer la bobina. En el caso del sacacorchos, la corriente marca el giro del sacacorchos y su avance el sentido del campo

 Campo bobina

 En los extremos de la bobina se crean los dos polos, siendo el norte por donde salen las líneas de fuerza, o sea aquel al que apunte el pulgar, y el sur al que llegue

 

El electroimán

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.2​ Los electroimanes generalmente consisten en un gran número de espiras de alambre, muy próximas entre sí que crean el campo magnético.3​ Las espiras de alambre a menudo se enrollan alrededor de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferrimagnético, como el hierro; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y hace un imán más potente.

La principal ventaja del electroimán sobre un imán permanente, es que el campo magnético se puede cambiar de forma rápida mediante el control de la cantidad de corriente eléctrica en el devanado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente, un electroimán requiere de una fuente de alimentación para mantener los campos.

Los electroimanes son ampliamente usados como componentes de otros dispositivos eléctricos, como motores, generadores, relés, altavoces, discos duros, máquinas MRI , instrumentos científicos y equipos de separación magnética. Los electroimanes también se emplean en la industria para recoger y mover objetos pesados, como la chatarra de hierro y acero.4

Existen varios tipos de electroimanes:

  1. El electroimán resistivos: Están compuestos de un hilo conductor que suele ser de cobre enrollado alrededor de un núcleo de hierro. Se genera un campo magnético gracias a la circulación de corriente eléctrica. Este tipo de imán requiere bastante consumo eléctrico y suele generar recalentamiento.
  1. El electroimán superconductor: Los imanes más potentes se fabrican con bobinas de cables superconductores, de allí su nombre de “superconductores”. El uso de imanes producidos por bobinas superconductoras disminuyen las pérdidas mecánicas en la producción de energías alternativas. 
  1. El electroimán híbrido: son un combinación de imanes resistivos y superconductores. ¡Los científicos construyen un imán resistivo dentro de un

imán superconductor para crear un imán de alta potencia!

Aplicaciones de un electroimán:

Como os lo hemos comentado anteriormente, un electroimán puede tener numerosos usos y pueden utilizarse en diversos dispositivos, herramientas y sistemas. Aquí te dejamos algunos ejemplos de aplicaciones: 

  • Seguridad y transporte: dispositivos de cierre, puertas automáticas o corta-fuegos. Ascensores y montacargas: sensores, escaleras, rampas o equipos de señalización y transporte.
  • Envase y embalaje: maquinaria para el etiquetado y envase o dispensadores automáticos.
  • Medicina: aparatos de radiología, diálisis, dosificadores o respiración artificial.
  • Robótica y maquinaria: robots industriales, motores, prensas, electrodomésticos, maquinaria textil y hornos industriales.

 

Relé.

El relé es una combinación de un electroimán y un interruptor. Consta de dos circuitos el de mando y el de potencia.

En el circuito de potencia hay un interruptor, con sus contactos disponibles.

El circuito de mando es el electroimán que mediante un mecanismo cuando circula corriente por él, hace que se cierre el contacto del interruptor de potencia. Cuando deja de circular corriente por el electroimán el mecanismo hace que se abra el contacto de potencia.

Relé

Esquema y símbolo del relé

Existen varias posibilidades en el circuito de potencia, un interruptor, un conmutador, dos conmutadores, etc.

Símbolos del relé

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Alternador.

Cuando movemos un conductor en el interior de un campo magnético, circula corriente a través de este conductor.

Generador lineal

La fórmula que relaciona a estas magnitudes es:

E= B* l *v

Donde:

E = fuerza electromotriz.

B= campo magnético.

v = velocidad con la que se desplaza el conductor.

l = longitud del conductor.

Si hacemos que circule corriente por un conductor sometido a un campo magnético, este se desplazará.

Motor lineal

La fórmula que relaciona a estas magnitudes es:

F= B*i*l

Donde:

F = fuerza con la que se desplaza el conductor.

B= campo magnético.

i = intensidad.

l = longitud del conductor.

Si en lugar de poner un conductor ponemos una bobina y la hacemos girar, la corriente que circula es mayor, y se verá modificada según el ángulo que forman el campo magnético y la bobina. Tomando valores positivos y negativos

Esta característica se aprovecha para construir una máquina que genere corriente, el Alternador.

Alternador

El sentido de la corriente viene expresado por la regla de la mano derecha, movimiento - campo - corriente (mo, ca, co).

Cuando hacemos girar las espiras la parte de arriba pasa abajo y la de abajo arriba, por lo que el sentido de la corriente sobre el receptor se invierte.

Además la corriente que se genera varia dependiendo de lo lejos que están los conductores de los polos. Cuando están más cerca mayor es la corriente y cuando están más lejos menor es la corriente.

El aspecto que tiene la corriente es este:

Corriente alterna

El símbolo es:

Símbolo del alternador monofásico

Este es el aspecto de un alternador experimental de laboratorio.

Alternador experimental

Los alternadores comerciales disponen de varias bobinas, con ellos se genera la mayor parte de la energía eléctrica que consumimos.

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Dinamo y motor de corriente continua.

Tal como hemos visto el funcionamiento de un alternador, si practicamos unas pequeñas modificaciones en los colectores de la bobina, podemos hacer que cada vez que cambian de arriba abajo, y de abajo a arriba los conductores activos de la bobina, se invierte el sentido de la corriente. Haciendo que la corriente siempre llegue en la misma dirección al receptor.

Dinamo

En el generador experimental esto se consigue modificando la posición de las escobillas, haciendo que coincidan en la parte que se parte la delga en dos.

Dinamo experimental

Teniendo la corriente el siguiente aspecto:

Corriente pulsatoria

Si incrementamos el número de bobinas del generador se consigue que la corriente sea casi continua, el conexionado se realiza mediante delgas. A este generador se le conoce como dinamo.

Corriente continua

La dinamo es un máquina reversible de manera que si le aplicamos corriente continua en sus terminales se convierte en un motor.

Igualmente, si a un motor de corriente continua hacemos girar su eje se comporta como una dinamo y genera corriente continua.

Los símbolos son:

Símbolo de la dinamo y del motor de corriente continua

Las dinamos se utilizan para obtener corriente continua en vehículos autopropulsados (coches, motos, camiones, ...)

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Transformador.

Un transformador es una máquina que aprovecha la característica que tiene la corriente eléctrica de crear campos electromagnéticos y que los campos electromagnéticos crean corriente eléctrica.

Consiste en dos bobinas unidas por un núcleo de hierro dulce, laminado, con pequeñas impurezas, para conseguir mejores características frente a la conducción del electromagnetismo.

Transformador

Cuando circula corriente por una de las bobinas esta se transforma en campo electromagnético se transmite por medio del hierro dulce y cuando llega hasta la otra bobina esta convierte en corriente eléctrica.

La utilidad del transformador es cambiar de valor la tensión y la corriente de una bobina a la otra.

Transformador experimental

El símbolo del transformador es:

Símbolo del transformador

Entre la primera bobina y la segunda se cumple que ambas transmiten la misma potencia.

P1 = P2

O lo que es lo mismo

V1 * I1 = V2 *I2

Otra forma de expresarlo es:

V1 / V2 = I2 / I1 = m (relación de transformación).

También se cumple que la relación entre el número de espiras de la primera bobina y la segunda es proporcional a la tensión que hay entre ellas. También se le conoce como relación de transformación.

N1 / N2 = V1 / V2 = m (relación de transformación).

Los transformadores se utilizan en el transporte de la energía eléctrica.

Cuando se genera, se eleva la tensión con ayuda de ellos, se transporta por las líneas, y se baja otra vez con transformadores hasta un valor con el que poder utilizarla, sin demasiados riesgos para las personas.

 

 

 

Fuente:

- Wikipedia
- Paraninfo
- Ikastaroak
- iesmjuancalero
- comercialmendez