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MAGNETISMO
BIBLIOGRAFÍA: FÍSICA POLIMODALEDITORIAL: STELLA (J M. Mautino)
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La energía eléctrica
1. EL MAGNETISMOEl fenómeno del magnetismo se conoce desde hace miles de años.Los antiguos chinos usaban una piedra metálica y negra a la que lla-maban tshu-shi (piedra amante) pues atrae al hierro como una ma-dre amante a sus hijos.Los filósofos griegos hallaron en la región de Magnesia, en el nortede Grecia, yacimientos de un mineral magnético del hierro al quellamaron magnes. Este mineral es un óxido del hierro actualmentedenominado magnetita o piedra imán.Las primeras observaciones estuvieron relacionadas con la propie-dad que tienen los imanes naturales de atraer al hierro y a sus com-puestos. Así, en 1600, William Gilbert publicó el primer tratado so-bre magnetismo en el que estableció las leyes que rigen los fenóme-nos magnéticos y clasificó a las sustancias según su comportamien-to frente a los imanes.En el año 1819, el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851),descubrió la interdependencia entre electricidad y magnetismo, alobservar que la aguja magnética de una brújula se desvía al hallarseen las proximidades de un conductor por el cual circula una corrien-te eléctrica. (La electricidad estática no ejerce influencia sobre losimanes.)En 1855, Michael Faraday (1791-1867), descubrió que el movimien-to de un imán en las proximidades de un conductor produce en és-te una corriente eléctrica (inducción electromagnética).En la actualidad se acepta que los fenómenos magnéticos procedende las fuerzas originadas entre las cargas eléctricas en movimiento,tales como los electrones.
1.1. ¿QUÉ SON LOS IMANES?
Los imanes son cuerpos que tienen la propiedad de atraer al hierro,al cobalto, al níquel y a los compuestos de estos elementos quími-cos. Estos cuerpos pueden encontrarse en la Naturaleza o ser fabri-cados por la mano del hombre, constituyendo los imanes naturalesy los artificiales, respectivamente.La magnetita es un óxido de hierro con propiedades magnéticas,por lo cual es un imán natural, que se encuentra en la Naturaleza,principalmente en Suecia y en los Estados Unidos.Pero, ya desde el siglo XIII, se sabe que frotando una barra de hierrocon un trozo de magnetita se obtiene un imán artificial.Cuando se acerca un imán a un objeto pequeño que contiene hierro(por ejemplo, un clavo) éste adquiere propiedades magnéticas y es ea- "'\\paz de atraer a un alfiler. Si se aleja el imán, el alfiler se desprende del i I
clavo. Esto indica que la presencia del imán induce al clavo a transfor-marse en imán, lo cual se denomina imanación por inducción.
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El hierro se imanay desimana fácilmente.
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Aguja magnética.
Polos diferentesse atraen.
Polos igualesse rechazan.
El imán que produce el fenómeno se llama inductor y el objeto quese imantado, inducido. El polo del imán inductor genera un polo denombre contrario en el extremo más próximo del cuerpo inducido.Si a un objeto que contiene hierro (por ejemplo, una aguja) se lo de-ja durante un cierto tiempo en contacto con un imán, dicho objetose magnetiza, es decir, se convierte en un imán. Este fenómeno sedenomina imantacián o magnetizacián:También se puede magnetizar la aguja frotándola muchas veces conel mismo polo de un imán y en igual sentido.Desde hace tiempo se fabrican imanes artificiales con distintos ti-pos de acero (aleación de hierro con 0,5 a 2 % carbono) a los que seles da diferentes formas (barra, disco, herradura, etcétera).En épocas más recientes se fabricaron los imanes cerámicos (com-puestos de bario) que se difundieron ampliamente en adornos, ju-guetes, cierre de puertas, etcétera, por su bajo costo.En las últimas décadas, con el notable incremento de las aplicacio-nes tecnológicas de los imanes, se fabrican a partir de diferentesaleaciones del hierro con el propósito de lograr mayor potencia, me-jor calidad y un costo más bajo. Así, podemos mencionar: imanes de[errita, compuestos aproximadamente por un 80 % de óxido de hie-rro y de un 20 % de óxido de estroncio; imanes de alnico, formadospor una aleación de 8 % de aluminio, 14 % de níquel, 24 % de cobal-to, 51 % de hierro y 3 % de cobre; imanes de neodimio, constituidospor una aleación de neodimio, hierro y boro; imanes de plástico,compuestos por una mezcla de polvo de ferrita de bario o de estron-cio con un aglomerado flexible (caucho natural o sintético o bien unelastómero).En ciertos casos, también se debe prestar atención a su resistenciatérmica. Así, los imanes de alnico mantienen sus características atemperaturas de hasta 400°C, mientras que los de neodimio no pue-den usarse a más de 120 "C.
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1.1.1. ¿Cuáles son las características de los imanes?En los imanes, la fuerza magnética se manifiesta principalmente enlos extremos, denominados polos, y es prácticamente nula en laparte media, llamada zona neutra.Si una pequeña aguja magnética se puede mover libremente sobreun soporte, cuando queda en reposo siempre se orienta de la mismaforma, que coincide, aproximadamente, con la dirección norte-sur.Por este motivo, al extremo del imán que apunta hacia el norte geo-gráfico se lo denomina polo norte (N) y al otro extremo se lo llamapolo sur (S). Esta denominación es utilizada para los polos de todoslos imanes. Algunos fabricantes pintan los polos de distinto colorpara poder diferenciarlos fácilmente; generalmente, utilizan el azulpara el polo norte y el rojo para el sur.Cuando los polos son distintos, se atraen; en cambio si son iguales,se rechazan. Entonces, se puede establecer que polos del mismonombre se repelen y polos de distinto nombre se atraen.
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Es imposible tener un imán con un solo polo.Si el imán se sigue dividiendo en fragmentos cada vez más peque-ños, cada uno de éstos tendrá sus correspondientes polos; de mane-ra tal que si pudiésemos continuar la división llegaríamos a tenermoléculas con su polo norte y su polo sur. Entonces, las moléculasde las sustancias se comportan como pequeños imanes, por lo cualse suelen denominar imanes moleculares,
1.2. EL CAMPO MAGNÉTICO
Las fuerzas magnéticas al igual que las gravitatorias y eléctricas, semanifiestan a cierta distancia y, por lo tanto, los cuerpos se atraensin necesidad de estar en contacto. Así como el espacio que rodea aun cuerpo eléctricamente cargado existe un campo eléctrico, losimanes crean a su alrededor un campo magnético en el cual actúanlas fuerzas magnéticas.La presencia de un campo magnético se puede visualizar de la si-guiente forma: se coloca una hoja de cartulina blanca sobre un imány luego se la espolvorea con limaduras de hierro. Se golpea suave-mente la hoja con un lápiz para que se acomoden las limaduras y seobserva su disposición.Cada limadura de hierro se convierte en un pequeño imán inducidoque se orienta en el campo de acuerdo con las fuerzas magnéticas.Las líneas que se forman, llamadas líneas de fuerza, comienzan enun polo y terminan en el otro, indicando la dirección de las fuerzasmagnéticas. Son más numerosas y están más próximas entre sí enlas cercanías de los polos, lo cual demuestra que allí es donde elcampo magnético es más intenso.La figura formada por las líneas de fuerza se denomina espectromagnético.
1.3. ¿CÓMO SE EXPLICA El MAGNETISMO?
Actualmente se acepta que el magnetismo se origina en los movi-mientos de los electrones dentro de los átomos.Los electrones presentan un movimiento de traslación alrededordel núcleo atómico y simultáneamente giran sobre su propio eje.Este movimiento de rotación sobre sí mismo, denominado spindel electrón, se realiza en una dirección pero con dos sentidos po-sibles, ya que puede girar en el sentido de las agujas del reloj o ensentido contrario.
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El electrón, por ser una carga en movimiento, crea un campo mag-nético a su alrededor comportándose como un pequeño imán .Los dos sentidos del spin corresponden a dos imanes de nombrecontrario (norte y sur) por lo cual los dos electrones de spin contra-'rio se atraen, formando un par electrónico aunque la repulsión eléc-trica debida a sus cargas negativas los mantiene algo separados.Las sustancias que son fuertemente atraídas por los imanes, deno-minadas magnéticas o [erromagnéticas, poseen en sus orbitales in-teriores electrones solitarios o desapareados, a los cuales se les atri-buye el magnetismo que manifiestan. ASÍ, por ejemplo, los átomosde hierro presentan cuatro electrones desapareados en su tercer ni-vel y sus propiedades ferromagnéticas se deben a que los spin deesos cuatro electrones son del mismo sentido, es decir, se compor-tan corría imanes cuyos polos tienen el mismo nombre.Ciertas sustancias (oxígeno, aluminio, madera, platino) sólo sonatraídas ligeramente por imanes muy potentes y se denominan pa-ramagnéticas. En los átomos o moléculas de estas sustancias se ori-ginan campos magnéticos, pero sus efectos se compensan y el con-junto no presenta acción magnética. Cuando se someten a la acciónde un campo magnético muy fuerte se polarizan mientras dura laacción de ese campo.En las sustancias que no son atraídas por los imanes, llamadas dia-magnéticas, los efectos magnéticos se anulan por la existencia depares de electrones de spin contrario.
1.4. CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE O GEOMAGNÉTICO
Una aguja magnética que puede girar libremente alrededor de uneje vertical siempre se orienta en la dirección norte-sur. Esto indicaque la aguja magnética experimenta la acción de un campo magné-tico que presenta la Tierra, la cual se comporta como un enormeimán. Los polos magnéticos de la Tierra se encuentran en las proxi-midades de los polos geográficos, como lo demuestra el hecho deque las agujas magnéticas siempre apuntan hacia dichos polos.En razón de que al polo magnético que apunta hacia el norte geográ-fico se lo denomina polo norte del imán, en ese lugar tiene que estar elpolo sur magnético de la Tierra. De modo semejante, en las cercaníasdel polo sur geográfico se halla el polo norte magnético de la Tierra.
1.4.1.¿Qué es declinación magnética?
Como los polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos,una aguja magnética colocada sobre un eje vertical no se orienta exac-tamente en la dirección geográfica norte-sur, sino que experimentauna ligera desviación porque sigue el meridiano magnético del lugar.
Física Polimodal
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Entonces, el ángulo que forman la dirección norte-sur geográficacon la dirección norte-sur magnética, se denomina ángulo de decli-nación magnética.La declinación es oriental u occidental, según que el polo N de laaguja magnética se sitúe al este u oeste, respectivamente, del meri-diano geográfico terrestre.Las posiciones de los polos magnéticos no son constantes y mues-tran cambios de año en año.
1.4.2. La inclinación magnética
Si se dispone de una aguja magnética que se apoya por su puntomedio sobre un eje horizontal, de modo que puede girar libremen-te en un plano vertical, se pueden efectuar las siguientes observa-ciones:
• Cuando la aguja magnética está ubicada en el ecuador magnético(no coincide con el geográfico) permanece en posición paralela ala horizontal del lugar, pero a medida que se desplaza hacia lospolos, va formando un ángulo con la horizontal que alcanza sumáximo valor (90°) en el polo magnético donde la aguja se dispo-ne en posición vertical.
El ángulo que en cada lugar forma la aguja magnética con la ho-rizontal, se denomina ángulo de inclinación magnética.
• La existencia de la inclinación magnética se explica por la atrac-ción que se ejerce entre los polos de diferentes nombres de laaguja y de la tierra.
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2. CAMPO MAGNÉTICO GENERADOPOR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA
Entre los fenómenos magnéticos y los eléctricos existe una estrecharelación que podemos observar a través del siguiente:
EFECTOS MAGNÉTICOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICAExpectativas de logro:
Reconocer la presencia de un campo magnético producido por una corriente eléctrica,mediante un experimento similar al de Hans C. Oersted.
Construir un electroimán casero.
Materiales:1 m de alambre de cobre para bobinar.
1 batería de 6 V o un porta pilas para 4 pilas de 1,5 V.
1 brújula (Puede remplazarse por una aguja imantada clavada en un trozo de tergopol,flotando en el agua contenida ell un plato sopero.)
1 imán.
1 bulón grande de hierro o de acero.
Objetos pequeños de hierro o acero (clips, chinches, limaduras de hierro, alfileres, etcétera).
A. El experimento de OerstedProcedimiento:
1. Coloca la brújula sobre la mesa y espera a que se estabilice marcando la
dirección norte-sur.
2. Acerca el imán a la brújula desde diferentes lados.
Observa y anota los cambios que experimenta la aguja magnética del
imán: , ""'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''' "
3. Coloca el alambre de cobre sobre la brújula y observa si la aguja magné-
tica experimenta algún cambio.
Anota lo observado: """'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''',' ; .
4. Conecta uno de los extremos del alambre al polo positivo y el otro al
gativo, de modo que se forme una corriente eléctrica permanente.
5. Coloca el alambre sobre la brújula y observa qué pasa con la aguja mag-
nética. Anota lo observado: " ,..,.
¿A qué se debe?: """"""""""""'"'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''' .
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Física' Polimodal
6. Camt
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B. El eje
Procedt
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3. Acen(clips,
Anot
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Conclu
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La energía eléctrica
6. Cambia varias veces la posición del alambre y observa en cada caso qué sucede. Anota lo observado: ....
es.iecha
7. Invierte la polaridad de la pila y repite las observaciones, comparándolas con las de los incisos 6 y 7.Desconecta el alambre de los polos. Anota lo observado: , .. .; .
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Conclusiones:
B. El electroimán
Procedimiento: alambre de cobre\ bulón
1. Enrolla la parte media del alambre de cobre alrededor del bulón.
. 2, Une los extremos del alambre a los polos de la batería o porta pilas,de modo que circule una corriente eléctrica permanente.
3. Ácerca el electroimán a pequeños objetos de hierro o de acero(clips, chinches, limaduras, alfileres, etcétera) y observa si los atrae.
Anota lo observado: . _ .
batería
nancada
4. Desconecta uno de los extremos del alambre y acércalo a objetos pequeños, como en el inciso anterior:
Observa y anota qué sucede: . .
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¿Qué es un electroimán? , .
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dorso de la mano derecha
2.1. EXPERIENCIA DE OERSTED
En 1820, Hans Christian Oersted preparó en su casa una demostra-ción científica para sus amigos y estudiantes. Su propósito era mos-trar el calentamiento de un hilo por la acción de una corriente eléc-trica y efectuar algunas demostraciones sobre magnetismo.Mientras llevaba a cabo su demostración eléctrica, Oersted acercóaccidentalmente una brújula a un cable por el que circulaba una co-rriente eléctrica y para su sorpresa observó que la aguja de la brúju-la se desviaba, ubicándose en forma perpendicular al cable ..La experiencia de Oersted consistió en los siguiente: colocó el cablepor el que circulaba corriente eléctrica encima de la brújula y obser-vó que la aguja se desviaba hacia el oeste. En seguida colocó el mis-mo cable debajo de la brújula y vio que la aguja también se desvia-ba, pero ahora, hacia el este.Luego de muchas observaciones, Oersted llegó a la siguiente con-clusión: para que la aguja imantada de la brújula se pueda movertiene que experimentar una fuerza magnética, la cual es generadapor la corriente eléctrica del cable, Entonces, una corriente eléctri-ca produce un efecto magnético.Ahora bien, como el cable no está en contacto con la aguja, para quesu efecto magnético se manifieste en dicha aguja, tiene que disper-sarse por el espacio que haya su alrededor. Ésta fue la primera vezque alguien mencionó la idea del campo magnético.Otras investigaciones demostraron que el giro que sufre la aguja de-pende del sentido de la corriente eléctrica,Entonces, se puede establecer que una corriente eléctrica produceun efecto magnético y que éste se manifiesta en el espacio que la ro- .dea (campo magnético). La orientación que adquiere la brújula de-pende del sentido que tiene la corriente eléctrica en el conductor.
2.1.1. Regla de Ampere
El físico francés, André-Marie Ampere (1775-1836), dedujo una re-gla práctica para saber hacia dónde se desvía el polo N de la agujamagnética:Se coloca la mano derecha sobre el conductor y éste sobre la aguja, demodo que la palma de la mano mire hacia la aguja y que la corrienteentre por la muñeca y salga por los dedos: el pulgar extendido indica ha-cía dónde se desvía el polo N de la aguja. (Regla de la mano derecha.)
2.2. CAMPO MAGNÉTICO GENERADO POR UNA CORRIENTE RECTILíNEA
Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor recto, el cam-po magnético que forma adquiere ciertas características que descu-briremos al analizar el siguiente caso:a un trozo de conductor recto, perteneoíente a un circuito eléctrico,se lo hace atravesar, en forma perpendicular, por el centro de unahoja de cartón ubicada en posición horizontal. Sobre el cartón se es-polvorean limaduras de hierro.
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Cuando se hace circular por el conductor una corriente eléctrica in-tensa, durante unos segundos, y simultáneamente se dan pequeñosgolpes sobre el cartón, las limaduras se agrupan en circunferenciasconcéntricas alrededor del conductor y con centro en él.Estas circunferencias manifiestan las líneas de fuerza correspon-dientes al campo magnético. Teniendo en cuenta estas experiencias,se puede deducir que las líneas de fuerza creadas por una corrien-.te eléctrica rectilinea son circunferencias concéntricas alrededor delconductor y situadas en planos perpendiculares al mismo.Para verificar cuál es el sentido de las líneas de fuerza, se coloca unapequeña brújula sobre el cartón en diversos puntos y se observa quésucede con la aguja magnética. Ésta se orienta tangencialmente alas circunferencias concéntricas descriptas por las líneas de fuerza.Teniendo en cuenta que en un imán las líneas de fuerza entran porel polo sur y salen por el norte, la orientación de este último indicael sentido de las líneas.Maxwell observó que el sentido de las líneas de fuerza es igual que eldel giro de un tirabuzón que avanza como la corriente. Esta normapráctica es conocida con el nombre de regla del tirabuzón.El campo magnético que se forma alrededor del conductor quedacaracterizado en cada punto por un vector denominado inducciónmagnética, que se representa con B. Este vector es tangente a la lí-nea de fuerza que pasa por ese punto (P) y tiene el mismo sentidoque esa línea de fuerza.El sentido del campo en un punto, se suele determinar por la reglade la mano derecha:Colocando el dedo pulgar en el sentido que circula la corriente y el ín-dice sobre el vector que señala el punto en cuestión, el dedo mayor ex-tendido apunta en el sentido del campo magnético (los otros dedosdeben estar cerrados).
2.3. CAMPO MAGNÉTICOGENERADO POR UNA CORRIENTE CIRCULAR (ESPIRA)
Un conductor recto, conectado a un generador, está rodeado por laslíneas de fuerza del campo magnético que genera el pasaje de la co-
rriente eléctrica: _6.e':neadeefue~O{\8 [j-8J'\[\_-condllctorrectilrneo~V U-U V 'VV
Cuando ese conductor recto es do-blado hasta formar una circunfe-rencia (espira), es lógico suponerque las líneas de fuerza del campomagnético que genera lo acompa-ñan en el cambio de forma:
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SolenoideDel griego:Solénos = canal, tubo.eídos = aspecto.
Los solenoides (bobinas)se construyen con alambre
de cobre aislado,conocido con el nombre de
alambre esmaltado.
En el plano perpendicularque pasa por el centro de esaespira, las líneas de fuerzaadoptan la siguiente forma:
~espira y,/----- -~,\ plano perpendicular
6)))ll((6línea de fuerza ~ //
¡lt[JIPara conocer el sentido de las líneas de fuerza en el campo magné-tico generado por una corriente circular también se puede aplicar laregla del tirabuzón, anteriormente mencionada.
2.4. CAMPO MAGNÉTICO GENERADO POR UN SOLENOIDE
El solenoide es una bobina constituida por va- rrnmirias espiras de alambre conductor arrolladasen forma cilíndrica y aisladas entre sí:
Cada espira puede considerarse como un conductor circular equi-valente a un pequeño imán. Como estos pequeños imanes están co-locados uno a continuación del otro, forman entre todos un imán degrandes dimensiones, con sus correspondientes polos norte y sur.En consecuencia, el campo magnético de un solenoide está dado portodos los campos creados por cada una de las espiras:
línea de fuerza
polo sur
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------
El campo magnético generado por un solenoide es similar al quecrea un imán con forma de barra.Para determinar a qué polo magnético equivale una cara del sole-noide, se tiene en cuenta lo siguiente: si frente a esa cara se observaque la corriente gira en el sentido de las agujas del reloj, se está de-lante del polo sur y la cara opuesta es el polo norte (regla de las agu-jas del reloj):
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la energía eléctrica
2.4.1. Un dispositivo muy utilizado: el electroimán
Cuando se introduce en un solenoide una barra de hierro (núcleo dehierro), ésta se magnetiza, constituyendo un electroimán:
El campo magnético del electroimán es mucho más potente que eldel solenoide solo, porque al magnetismo de éste se suma el magne-tismo inducido en el núcleo de hierro.Este electroimán pierde la capacidad magnética en cuanto deja depasar la corriente eléctrica, porque su núcleo es de hierro dulce. Nosucedería lo mismo si el núcleo fuese de acero porque éste se con-vierte en un imán permanente.Los electroimanes se aplican en diversos dispositivos, tales como lostimbres de campanilla, relés, grúas, motores eléctricos, etcétera.
2.4.2. Elmotor eléctrico
Muchas máquinas de uso cotidiano están accionadas por un motoreléctrico. Este tipo de motores aplican las propiedades del electroi-mán para transformar la energía eléctrica en mecánica. Los lavarro-pas, las batidoras de cocina, las afeitadoras, las videocaseteras, lascomputadoras y los grabadores funcionan con motores eléctricos.Los automóviles usan motores eléctricos para el arranque y para ac-cionar los limpiaparabrisas.Un motor eléctrico simple está compuesto por:
a) Un imán permanente N, S.b) Dos semianillos de cobre (C y D) próximos entre sí y ubicados
entre los polos del imán.e) Un electroimán n, s que puede girar alrededor de su centro o
y cuyos extremos hacen contacto con los semianillos.d) Una batería B cuyos polos están unidos a sendos semianillos.
Al cerrar el circuito, la corriente entra al electroimán por s y salepor n. Entonces, en dicho electroimán se desarrollan un polo nor-te en n y un polo sur en s.Como los polos de igual nombre se repelen y polos de diferente nom-
o bre se atraen, el polo norte n del electroimán es repelido por el polonorte N y atraído por el polo sur S del imán fijo; en cambio, el polos del electroimán es repelido por el polo S y atraído por el polo N del
o imán permanente. Estas repulsiones y atracciones hacen que elelectroimán gire en el sentido indicado en el dibujo por la flecha.Después de que el electroimán da media vuelta, se invierte el senti-do de la corriente (entra por n y sale por s) y por lo tanto, tambiénse invierten los polos magnéticos (el polo n pasa a ser s y viceversa).Entonces, el electroimán volverá a dar media vuelta y continuará gi-rando ininterrumpidamente mientras circule la corriente eléctrica.
Algunas cintas de trabajo aerábico funcionan con un motor eléctrico .
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GalvanómetroAparato utilizado para medir
la intensidad deuna corriente eléctrica.
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solenoide
imán / galvanómetro
'~~OJIfu~wCuando el imán está en reposo
no hay corriente eléctricaen el solenoide.
La corriente eléctricapara producir luzen la lámparade una bicicletase obtiene porinducciónelectromagnética:
3. LA INDUCCiÓN ELECTROMAGNÉTICA
Después que Oersted comprobó que la corriente eléctrica genera uncampo magnético, los investigadores se dedicaron a buscar el efectoopuesto: producir corriente eléctrica mediante campos magnéticos.Este efecto fue descubierto por Faraday, en 1830, luego de realizardiversas experiencias, una de las cuales consiste en lo siguiente:a) Se arma un circuito formado por una espira y un galvanómetro.
(No hay circulación de corriente eléctrica porque no hay gene-rador.)Al acercar un imán a la espirase produce una corriente eléc-trica en el circuito, la que es re- espira
gistrada por el galvanómetro:
La corriente que se produce sedenomina corriente induciday cesa al detenerse el imán.
b) Cuando se aleja. el imán de la espira, reaparece la corriente, peroesta vez de sentido contrario.
e) Si se repiten las experiencias variando la velocidad con que semueve el imán, se comprueba que cuanto más rápido se despla-za, más intensa es la corriente.
Esta experiencia se puede realizar con un solenoide en lugar de unaespira, para observar el efecto con mayor intensidad.Entonces, se puede establecer que el movimiento de un imán en lasproximidades de un conductor fijo produce en éste una corrienteeléctrica inducida, sin necesidad de pilas, baterías, etcétera, ni si-quiera del contacto directo. Cuanto más rápido se mueve el imán,mayor es la intensidad de la corriente.Este fenómeno se denomina inducción electromagnética, el con-ductor inducido y el imán inductor.
Si se deja el imán en reposo y se mueve el circuito eléctrico, se obtie-nen resultados similares.
armadura de hierro
GENERADOR
Generador decorriente eléctrica
en una bicicleta.
3.1. INGE
En lugareléctrico,nético. AEl solenoa una fUEel solenolo está UI
Con esto:a) Si se ci
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La energía eléctrica
/3.1. INDUCCiÓN ELECTROMAGNÉTICAGENERADA POR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA
En lugar de un imán como inductor se puede utilizar otro circuitoeléctrico, habida cuenta de que toda corriente crea un campo mag-nético. Así, por ejemplo:,Elsolenoide del.circuito A, llamado primario o inductor, está unidoa una fuente (pila), un interruptor y un galvanómetro, mientras queel solenoide del circuito B, denominado secundario o inducido, só-lo está unido a un galvanómetro (no tiene ni fuente ni interruptor).Con estos circuitos se pueden realizar las siguientes observaciones:
- a) Si se cierra el interruptor del circuito A, por el solenoide primariocircula una corriente eléctrica que genera un campo magnético, elcual produce en el solenoide secundario del circuito B un pulso decorriente eléctrica inducida que es registrado por el galvanómetro.
b)Si el solenoide primario del circuito A permanece en reposo, elgalvanómetro vuelve a marcar cero, lo cual indica que ha desapa-recido la corriente inducida. Esto se debe a que el campo magné-tico que influye sobre el solenoide secundario es constante.Al abrir el interruptor deja de circular la corriente en el circuito Ay en ese momento el instrumento del circuito B vuelve a registrarun pulso de corriente inducida. (El sentido de esta corriente esopuesto al que tiene cuando se cierra el circuito.)
,De acuerdo con estas observaciones se puede establecer que cuan-T,dodos circuitos están próximos, al abrir o cerrar uno de ellos, se"produce una variación del flujo magnético que origina una co-.rrrente e'lécrnca máucráa en e'l otro.Si se hace variar la intensidad de la corriente en el solenoide primariopor medio de un reóstato, se produce una variación del flujo magnéti-co, la que origina una corriente inducida en el solenoide secundario.
.En síntesis, se puede establecer que en todos los casos en que se{modifica el flujo magnético del circuito inductor, se produceunacorriente eléctrica inducida en el secundario.
Regla de LenzConsideremos los siguientes casos:1. Si se acerca el polo sur de un imán (A)a un solenoide (B), en és-
te se genera una corriente inducida cuyo sentido origina un po-lo sur en la parte más próxima al imán:El polo sur que ha originado la corriente se opone al acerca-miento delnolo sur del imán.
2. Cuando se aleja el imán (A)del solenoide (B), en éste cambia elsentido de la corriente inducida, por lo cual se produce un po-lo norte en lugar del polo sur:El polo norte que se ha producido en el solenoide se opone alalejamiento del imán.A partir de estas observaciones y otras similares, el físico ale-mán Emilij C. Lenz (1804-1865), enunció una ley que permitepredecir el sentido en que circulará una corriente inducida, de-nominada Regla de Lenz:
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IEl sentido de una corrientefIinducida es tal que tiende a!í oponerse a la causa que la IIgenera. 1_____ .. _, __ ~._. __... .......l
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GENERADOR ELÉCTRICO
Un GENERADOR ELÉCTRICO es un dispositivo que convierte energía mecánica en energíaeléctrica. Mantiene por tanto una diferencia de potencial entre dos puntos denominados polos.Por la ley de Faraday, al hacer girar una espira dentro de un campo magnético, se produce unavariación del flujo de dicho campo a través de la espira y por tanto se genera una corrienteeléctrica.
En la figura, la espira rectangular rota dentro de un campomagnético, por lo que el fh,üo deí camOQ a través de ella varía,Se crea una corriente que circula por la espira, por lo queentre los bornes (representados en verde) aparece unadiferencia de potencial á ti (fuerza electrornotriz inducida)
En las centrales de generación de energía eléctrica (nucleares,térmicas, hidráulicas ...) la energía mecánica que el generadortransforma en energía eléctrica proviene del movimiento de unaturbina, accionada dependiendo del tipo de central por vapor deagua, aire o agua. En la figura de la izquierda se ha representadoesquemáticamente el sistema de generación de energía eléctrica de una central hidráulica.
Estátor En la parte inferior de la figura se observan las palas de laturbina (accionada por agua) y las compuertas verticalesque sirven para regular el caudal de agua que entra a laturbina. En la parte superior está representado elgenerador de energía eléctrica. Dicho generador constade dos partes:
• El estátor, que es la parte estática de! generador.Actúa como inducido,
• El rotor, que es la parte móvil conectada al eje deia turbina, Es el que actúa como inductor.
El rotar puede estar constituido por un imán permanente omás frecuentemente, por un electroimán. Un electroimánes un dispositivo formado por una bobina enrollada entorno a un por la que se hacecircular una corriente, que produce un campo magnétíco.
El campo magnético producido por un electroimán tiene la ventaja de ser más intenso que el deuno producido por un imán permanente y además su intensidad puede regu!arse.
El estátor está constituido por bobinas por las que circulará la corriente. Cuando el rotar gira, elflujo del campo magnético a través del estátor varía con el tiempo, por lo que se generará unacorriente eléctrica. En este enlª-~~puede verse un esquema de una central hidráulica enfuncionamiento.
Palas de la turbina
f}.:ando una corriente eléctrica alterna circula por un conductor en:::ma de bobina origina a su alrededor un campo magnético o_-:lán.Si se le acerca otra bobina desconectada, el campo magnético
t ze la primera induce una corriente alterna en la segunda. Esta se-.t:"Jl1dacorriente tendrá el mismo voltaje que la primera si la bobina. ::ene el mismo número de espiras. En cambio, si la segunda bobina
secundario) tiene diez veces más vueltas que la primera (primario),en ella se generará un voltaje diez veces mayor y una intensidad diezreces menor.:nversamente, el voltaje será menor en el secundario cuando el prí-.mario tenga más espiras.Un tipo sencillo de transformador es aquel que consiste en dos bo-binas arrolladas a un mismo núcleo de hierro laminado. La corríen-te alterna aplicada a una bobina (primario) produce un campo mag-nético variable en el núcleo, el cual induce una corriente alterna enla otra bobina (secundario):
núcleo núcleo
"
./""secundario
Transformador elevador.(La bobina secundaria tiene más
espiras y eleva el voltaje.)
En síntesis:
Transfornuzdorreductor.(La bobina secundaria tiene menos
espiras y reduce el voltaje.)
Los transformadores s.on. ap.aratos destinados a modificar el Ir
voltaje de una corriente eléctrica alterna.
Motores eléctricos v+> o _,r /,Un motor eléctrico transforma energía eléctrica en energía cinética. Su
estructura básica es sencilla: una espira conectada a una fem se monta de t~
forma que pueda girar en un campo B producido por un imán. Cuando sehace pasar corriente por la bobina, se genera un campo magnético que interaz-túa con el imán, atrayéndola y provocando su giro. Un mecanismo interno é=-:motor hace que cuando la bobina da media vuelta, se invierta el sentido de Locorriente, provocando un cambio en el sentido del campo magnético y contri-huyendo a que la bobina continúe su giro buscando indefinidamente unanueva posición
Escobillcs(contactosdestizcntes)
Batería
Motor eléc!!ico. Cuando la normal a la espira esparalela a 8, el anillo partido cambia la direcciónde la corriente.
I I +
bobinaconectada
bobinadesconectada
En la bobina desconectadase origina una corriente eléctricapor inducción electromagnética.
La segunda bobina tienemás espiras.
La segunda bobina tienemenos espiras .
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La energ ía eléctrica~~(~;:[;"'A-c-t!-~~=T~-a-d-e-",~--w-d-e-f-ij-a-C-io-:wn='----------~--------------I
:,:,'1,:'s\naliza las siguientes proposiciones: , ,"r;")'~)tos imanes atraen a todos los metales y a sus'compuestos: ,-!;!..••.,~.. '. .' ."ó2',>,bl En los átomos de las sustancias ferromagnéticas hay electrones desapareados,,;;> el Campo magnético es el espacio en el que se manifiestan las fuerzas magnéticas, .'~'-'~'::F-:----:"-:.: _ - .' _ ", '.
:~ .:A) Toda cargi:l eléctrica en reposo crea un campo magnético,
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