8. Imanes

Corresponde a la sesi�n de GA 4.8 �ATRACTIVOS!

Existen, en la naturaleza, ciertos cuerpos que tienen la propiedad de atraer al hierro, al n�quel y al acero. Los cuerpos que presentan tal propiedad se llaman imanes. Algunos de estos tambi�n pueden atraer al cobalto, que presenta caracter�sticas semejantes a las del hierro.

Los imanes presentan una propiedad caracter�stica llamada magnetismo, que es la fuerza de atracci�n que ejercen sobre otros cuerpos con propiedades semejantes a las del hierro. Sin embargo, esta propiedad no es uniforme en todo el cuerpo de un im�n, ya que se presenta de forma m�s marcada en los extremos, los cuales son nombrados polos magn�ticos.

Los materiales como el hierro, el cobalto, el n�quel, el acero y algunos otros se denominan materiales ferromagn�ticos, ya que por diversos procesos pueden ser imantados fuertemente y formar, as�, un im�n artificial.

En un lugar de Asia Menor llamado Magnesia, los griegos descubrieron una piedra que pose�a la propiedad de atraer los materiales ferrosos y la llamaron magnetita, la cual est� formada por dos elementos qu�micos que forman �xido de fierro ; este mineral constituye un im�n natural.

Los imanes se pueden atraer o repeler entre ellos en la misma forma que lo hacen dos cuerpos electrizados, puesto que presentan dos polos llamados: norte y sur, los polos iguales se rechazan y los contrarios se atraen.

Para dar nombre a los polos de un im�n se considera su orientaci�n geogr�fica Norte-Sur: el polo norte de un im�n se orienta con el polo Norte geogr�fico y el polo sur del mismo se orienta con el polo Sur geogr�fico.

Las propiedades magn�ticas de un im�n no se encuentran localizadas en un punto particular, se localizan en todo el cuerpo; as�, cuando un im�n se rompe, no se obtiene un pedazo con polo norte y otro con polo sur, en cada uno de los pedazos aparecen los dos polos, formando dos imanes que, aunque m�s peque�os, poseen todas las caracter�sticas magn�ticas.

Los imanes producen en el espacio una fuerza, la cual se llama campo magn�tico y se manifiesta atrayendo o rechazando a otro im�n o cuerpo ferroso que se encuentre en dicho campo. El campo magn�tico est� formado por l�neas de fuerza que van del polo norte hacia el polo sur.

El campo magn�tico se manifiesta con mayor intensidad cerca de los polos del im�n.

La Tierra se comporta como un gigantesco im�n que tiene sus polos magn�ticos cerca de los polos geogr�ficos; las fuerzas magn�ticas que forman el campo magn�tico y que se manifiestan en la superficie son producidas por las corrientes el�ctricas que se forman en el lugar llamado n�cleo externo. Como las caracter�sticas magn�ticas de la Tierra son producto de la corriente el�ctrica, se dice que �sta es un electroim�n.

En 1820, el f�sico James Hans Christian Oersted, al realizar experimentos relacionados con la electricidad, observ� que cuando una corriente el�ctrica fluye por un conductor produce un campo magn�tico que lo rodea y provoca la desviaci�n de la aguja de una br�jula. Este fen�meno recibi� el nombre de efecto Oersted, en honor de su descubridor, quien tambi�n descubri� que las l�neas de fuerza magn�ticas se ubican en un plano perpendicular al conductor y en torno a �ste forman c�rculos.

La desviaci�n que experimenta la aguja de una br�jula al ponerla bajo los efectos de un campo magn�tico, producto de una corriente el�ctrica, depende de dos factores: uno, la posici�n de la br�jula con respecto al conductor; dos, el sentido de la corriente que fluye por el conductor. Estos factores fueron enunciados por el f�sico franc�s Andr�-Marie Amp�re como la regla de la mano derecha, la cual establece: al empu�ar con la mano derecha un conductor de modo que el dedo pulgar apunte en el sentido en que fluye la corriente, los otros dedos apuntar�n en la direcci�n en la que se encuentra el campo magn�tico.

Cuando el conductor se enrolla en varias espiras sobre un cilindro, el campo magn�tico formado es igual a la suma del cuerpo magn�tico formado por cada espira. Este dispositivo nombrado solenoide sirve para formar un campo magn�tico similar al de un im�n de barra.

Si dentro del solenoide se introduce un n�cleo de material ferromagn�tico, se forma un electroim�n en el cual las l�neas de fuerza se concentran y forman campos magn�ticos m�s intensos.

Los electroimanes tienen muchas aplicaciones en diversos niveles: se utilizan para mover grandes cuerpos met�licos por medio de gr�as magn�ticas, en timbres caseros, en motores el�ctricos y en bocinas generadoras de sonidos.

En 1825, el qu�mico y f�sico ingl�s Michael Faraday se plante� el problema de si era posible que un campo magn�tico diera origen a un tipo de electricidad. Comprob� que al mover un im�n dentro de un solenoide o que al mover un solenoide sobre un im�n fijo, se produc�a una corriente el�ctrica inducida en el solenoide, la cual se registra por medio de un galvan�metro.

Faraday tambi�n descubri� que la direcci�n de la fuerza electromotriz depende del movimiento del im�n, ya que si se acerca el polo norte de �ste al solenoide, la corriente fluye en sentido contrario; observ� tambi�n que la intensidad de la corriente es directamente proporcional a la rapidez con que se mueve el im�n dentro del solenoide (variaci�n del campo magn�tico).

Con los descubrimientos sobre corriente inducida realizados por Faraday se produjo un gran desarrollo te�rico sobre el electromagnetismo, pues a partir de energ�a mec�nica se pod�a obtener energ�a el�ctrica. Con este principio se crearon grandes m�quinas generadoras de energ�a el�ctrica, como la magnetoel�ctrica, en donde el campo magn�tico es producto de un im�n permanente; otra de estas m�quinas es la dinamoel�ctrica, en la cual el campo magn�tico est� formado por electroimanes. En ambos casos, las m�quinas cuentan con dos partes esenciales: una, el estator, la cual permanece fija; dos, el rotor, que es la parte m�vil constituida por un conjunto de espiras (el rotor gira dentro del campo magn�tico del estator).

Transformadores el�ctricos

Con la producci�n de electricidad en gran escala se present� el problema de conducirla a grandes distancias sin que se perdiera, en forma de calor, en los cables. El transformador el�ctrico vino a resolver este problema, ya que por medio de ellos se puede variar la intensidad y el voltaje de la corriente el�ctrica.

Un transformador consta b�sicamente de tres elementos: un n�cleo y dos bobinas. El n�cleo es de hierro en forma de marco y las bobinas se ubican en los extremos, de modo que entre ellas exista un espacio; por una de ellas (bobina primaria) circula corriente alterna, la cual se transforma en corriente directa; la otra (bobina secundaria) es por donde sale la corriente con el voltaje requerido y se conduce a los lugares deseados.

Cuando a la bobina primaria llega corriente alterna, �sta funciona como un solenoide y se produce un flujo magn�tico en el n�cleo. Como la corriente es alterna, el flujo cambia constantemente, por lo que en la bobina secundaria se origina una corriente inducida; el voltaje obtenido est� en funci�n del n�mero de espiras en las bobinas. Entre las bobinas tambi�n existe una raz�n inversa, ya que si en la bobina primaria el voltaje es alto, en la bobina secundaria ser� bajo. Esta proporci�n se puede calcular por medio de la f�rmula:

donde:

Como en el transformador tampoco se crea ni se destruye la energ�a, y si no existe p�rdida de �sta en el trabajo desarrollado por las bobinas, se debe de cumplir que: la potencia el�ctrica que entra es igual a la potencia el�ctrica que sale del transformador, de acuerdo con la siguiente igualdad:

Los transformadores son de dos tipos y se clasifican como transformadores elevadores y transformadores reductores. En el transformador reductor, la bobina secundaria tiene menos espiras.

Ejemplo:

�Qu� voltaje se obtendr� en la bobina secundaria si a la primaria llega una corriente alterna de 220 voltios? La bobina primaria cuenta con 300 espiras y la secundaria con 800.