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  • MAGNETISMO

    • MAGNETISMO

      El fenómeno del magnetismo era conocido ya por los antiguos griegos desde hace más de 2000 años. Se observaba que ciertos minerales (imanes) podían atraer o repeler pequeños objetos de hierro. De hecho, el nombre de magnetismo proviene de la provincia griega Magnesia, donde se encuentran los yacimientos más importantes de la magnetita (Fe3O4), mineral con propiedades magnéticas.

      ¿Cómo funciona un imán?

      Al parecer la materia está formada por muchísimas moléculas con propiedad magnética. Si estas moléculas tienen la capacidad de girar y alinearse (a veces naturalmente y a veces en respuesta a un estímulo) entonces lo hacen y la propiedad magnética se refuerza y aparece a escala macroscópica.

      Las barras imantadas pueden perder lentamente su propiedad magnética debido a que sus moléculas van perdiendo la alineación.

       Si la barra se calienta (aumentando la agitación de las moléculas) la pérdida será más veloz.

      No todas las moléculas del universo tienen propiedad magnética

       

      ¿Qué pasa cuando un imán se corta en dos?

      Si una barra imantada se corta longitudinalmente resultan dos barras imantadas cuyos polos magnéticos conservan la posición que tenían antes del corte.

       

      Una consecuencia de esto es que, inmediatamente después del corte, las barras se rechazarán mutuamente.

      Aunque se tenía conocimiento de este fenómeno de forma experimental no fue hasta mediados del siglo XIX cuando se formularon teóricamente todas las interacciones de tipo eléctrico y magnético, resumidas en las ecuaciones de Maxwell. Hoy día se sabe que toda la materia presenta propiedades magnéticas en determinadas condiciones y existen diferentes tipos de magnetismo y variables magnéticas que lo caracterizan. 

      IMANES

      Los griegos uno de los nombres que le dieron a esta piedra misteriosa fue Piedra de Hércules. Otro denominación, Piedra de Magnesia, debido a la abundancia de este mineral en esta zona del Asia menor; para los latinos el nombre utilizado fue magnes de donde se deriva la palabra magnetismo, palabra utilizada hoy para designar la propiedad del imán de atraer a otros materiales y a todo el conocimiento acerca de ella.

      Los imanes naturales son piedras de un óxido de hierro llamado Magnetita, que han adquirido la propiedad de atraer a algunos elementos tales como: hierro, cobalto níquel, gadolinium, dysprosium o aleaciones de estos elementos.

      A estos materiales se les da el nombre de ferromagnéticos y con ello se diferencian de otros materiales con propiedades magnéticas menos fuertes como son los diamagnéticos y paramagnéticos.

       Fue Guillermo Gilbert quien reunió los conocimientos que su época poseía sobre los fenómenos magnéticos, y agregó a los mismos el valioso caudal de sus propios experimentos, determinando las características más interesantes de los imanes.

       CARACTERÍSTICAS DE LOS IMANES

      Se orientan en una dirección específica del espacio cuando son suspendidos adecuadamente. Si colgamos cualquier imán en el espacio por medio de un hilo se observa que adquiere una orientación especial: una parte del imán se orienta aproximadamente hacia el norte geográfico y la otra se orienta hacia el Sur.

      El lado que se orienta hacia el norte se denomina polo norte del imán y el lado que se orienta hacia el sur se denomina polo Sur. Esta característica dio origen a la Brújula, instrumento construido con una pequeña aguja imantada que puede girar alrededor de un eje de rotación que pasa por su centro geométrico

      Cualquier tipo de imán, ya sea natural o artificial, posee dos polos perfectamente diferenciados: uno denominado polo norte y el otro denominado polo sur.

      LÍNEAS DE CAMPO MAGNÉTICO DE UN IMÁN

      El campo magnético es  la agitación (perturbación) que produce un imán a la región que lo envuelve. Es decir, el espacio que envuelve el imán en donde son apreciables sus efectos magnéticos, aunque sea imperceptible para nuestros sentidos.

      Para poder representar un campo magnético utilizamos las llamadas líneas de campo. Estas líneas son cerradas: parten (por convenio) del polo Norte al polo Sur, por el exterior del imán. Sin embargo por el interior circulan a la inversa, de polo Sur a polo Norte.

      MAGNETISMO TERRESTRE



      La Tierra, se preguntó William Gilbert, ¿no sería un inmenso imán? Gilbert dio los pasos para entender por qué una brújula se orienta en la dirección Norte –Sur. Pensó que la Tierra necesariamente debe comportarse como un

       imán gigante cuyo polo norte magnético debe atraerse con el polo sur de la brújula y viceversa, el polo sur magnético de la Tierra debe atraer al polo norte de la brújula.

      Para verificar esta hipótesis, el incansable experimentador construye un imán esférico, su famosa Microgé (Tierra minúscula), y al aproximar a su imán, una pequeña aguja magnética móvil en torno de su centro de gravedad, muestra que ésta se comporta igual que una brújula de inclinación (brújula que mide el ángulo de inclinación del campo magnético de la Tierra con respecto a la horizontal) suspendida en el plano de un meridiano de la Tierra.

      Gilbert creyó que los polos magnéticos del globo coincidían con los geográficos, sin embargo, La brújula no apunta siempre hacia el norte geográfico, de esto ya se habían percatado los chinos en el siglo XII antes de Cristo y hoy día se sabe que el polo norte geográfico está en un lugar diferente al polo magnético (polo sur magnético) hacia el que apunta una brújula. El polo norte geográfico está en Groenlandia y el polo magnético está en las Islas Reina Elizabeth.

      No se sabe a ciencia cierta por qué la Tierra es un imán. La configuración del campo magnético terrestre es como la de un potente imán de barra colocado cerca del centro del planeta. Pero la Tierra no es un trozo de hierro magnetizado como el imán de barra. Está demasiado caliente para que los átomos individuales permanezcan alineados.

      MAGNETOSFERA Y AURORAS BOREALES

      El campo magnético terrestre no afecta únicamente al comportamiento de las brújulas. La atmósfera terrestre también tiene una zona denominada magnetosfera, que es una región situada alrededor del planeta en la que el campo magnético de éste desvía la mayor parte del viento solar formando un escudo protector contra las partículas cargadas de alta energía procedentes del Sol, tal y como se muestra en la animación adjunta.

      Su existencia permitió el desarrollo de la vida en la Tierra, ya que bloquea las radiaciones más energéticas. Además algunas teorías científicas indican que sin la magnetosfera la Tierra habría perdido la mayoría del agua de la atmósfera y los océanos en el espacio, debido al impacto de partículas energéticas que disociarían los átomos de hidrógeno y oxígeno permitiendo escapar los ligeros átomos de hidrógeno, por lo que el planeta se parecería mucho más a Marte.

      Se estima que este pudo ser un factor importante en la pérdida de agua de la atmósfera primitiva marciana. Aunque evita que la mayoría de rayos ultravioletas atraviesen nuestra atmósfera, algunos de ellos llegan a penetrar y conseguir un espectáculo denominado aurora boreal en el cielo de los polos norte y sur de la tierra, zonas donde la magnetosfera se anula.

      EXPERIENCIA DE CHRISTIAN OERSTED: CAMPO MAGNÉTICO DE UNA CORRIENTE ELÉCTRICA

      En 1820 Hans Oersted observó que cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la 

      aguja se deflectaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable y que volvía a la posición original cuando dejaba de circular la corriente por el circuito.

       Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo. De forma casi fortuita, el científico danés Oersted se percató de que una brújula sufría desviaciones al estar cerca de una corriente eléctrica.

      Si se disponen varias brújulas en torno a un hilo conductor, se observa que cuando no circula corriente eléctrica, todas ellas apuntan al Norte de la Tierra (a), debido al efecto del campo magnético terrestre. Si se hace circular una corriente, se orientan formando una circunferencia en torno al hilo (b).

      Del experimento de Oersted se deduce que:

      - Una carga en movimiento crea un campo magnético en el espacio que lo rodea.

      - Una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia del conductor.

      - Una brújula cambia de orientación cerca de una corriente eléctrica: las brújulas son pequeños imanes sujetos a un soporte de forma que puedan girar libremente.

      - También comprobó que al cambiar el sentido de la corriente cambiaba el sentido en que se desviaba la aguja.

      CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO EN UN CONDUCTOR RECTO

      Si ponemos brújulas alrededor de una corriente eléctrica rectilínea observamos cómo se orientan perpendicularmente a dicha corriente, establecemos que una corriente eléctrica rectilínea crea un campo magnético cuyas líneas son círculos concéntricos con la recta que define el conductor, el sentido es tal que lo podemos conocer siguiendo la "regla de la mano derecha", situamos el pulgar en la dirección y sentido de la corriente, la posición natural del resto de los dedos nos indicará la dirección y sentido de las líneas del campo magnético.

      Para determinar el valor de la inducción magnética o campo magnético B  a una cierta distancia r de un conductor recto por el que circula una intensidad de corriente I, se aplica la siguiente expresión:

      Donde:

      B= inducción magnética o densidad de flujo magnético en un punto determinado perpendicular al conductor, se mide en tesla (T)

      µ= permeabilidad del medio que rodea al conductor, se expresa en Tm/A

      I= intensidad de la corriente que circula por el conductor, su unidad en el S.I. es el ampere (A)

      r= distancia perpendicular entre el conductor y el punto considerado, se mide en metros (m)

       Cuando el medio que rodea al conductor es no magnético o aire, la permeabilidad se considera como si se tratara del vacío, por lo tanto:

      µ=µo=4π x 10-7 Tm/A

       

      De acuerdo con la ecuación anterior se deduce que la intensidad de la corriente es directamente proporcional al campo magnético B y la distancia perpendicular del conductor es inversamente proporcional al campo magnético B.

      La unidad de campo magnético en el Sistema Internacional es el tesla (T).

      Un tesla se define como el campo magnético que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb) que se mueve a velocidad de 1 m/s dentro del campo y perpendicularmente a las líneas de campo.

       El tesla es una unidad muy grande, por lo que a veces se emplea como unidad de campo magnético el gauss (G) que, aunque no pertenece al Sistema Internacional sino al sistema CGS, tiene un valor más acorde con el orden de magnitud de los campos magnéticos que habitualmente se manejan.

      1 T = 10000 gauss

       

      CAMPO MAGNÉTICO CREADO POR UNA ESPIRA CIRCULAR

      En muchos dispositivos que utilizan una corriente para crear un campo magnético, tales como un electroimán o un transformador, el hilo que transporta la corriente está arrollado en forma de bobina formada por muchas espiras.

      Al observar la imagen se verá que el campo en el interior de la espira se refuerza, ya que todo el campo creado en esa zona está orientado en la misma dirección, mientras que en el exterior se debilita.

      Aunque el cálculo es demasiado complejo para tratarlo aquí, el resultado es relativamente sencillo, resultando ser el campo en el centro de la espira circular de valor:

      Donde:

      B= inducción magnética o densidad de flujo magnético en el centro de la espira circular, se mide en tesla (T)

      µ= permeabilidad del medio que rodea al conductor, se expresa en Tm/A

      I= intensidad de la corriente que circula por el conductor, su unidad en el S.I. es el ampere (A)

      r= radio de la espira, se mide en metros (m)

       

      Al analizar las expresiones de B para conductor rectilíneo y espira circular, se cumple:

      CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR UN SOLENOIDE

       Un solenoide se obtiene al enrollar un alambre en forma helicoidal (acción llamada devanar). Cuando una corriente circula a través del solenoide, las líneas de fuerza del campo magnético generado se asemejan al campo producido por un imán en forma de barra.

      En su interior las líneas de fuerza son paralelas y el campo magnético es uniforme.

        Para calcular el valor de la inducción magnética o densidad de flujo B en el interior de un solenoide, se utiliza la expresión matemática:

       Donde:

      B = inducción magnética en el interior de un solenoide, se mide en teslas (T)

      N = número de vueltas o espiras

      µ = permeabilidad del medio en el interior del solenoide, se expresa en Tm/A

      I = intensidad de la corriente calculada en amperes (A)

      L = longitud del solenoide medida en metros (m)

      FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UNA CARGA ELÉCTRICA

      Es conocido que un conductor por el que circula una corriente sufre una fuerza en presencia de un campo magnético. Puesto que la corriente está constituida por cargas eléctricas en movimiento, empezaremos por estudiar la fuerza sobre una única carga.

      Sobre una carga eléctrica en movimiento que atraviese un campo magnético aparece una fuerza denominada Fuerza Magnética. Ésta modifica la dirección de la velocidad, sin modificar su módulo.

       

      El sentido se calcula por la regla de la mano derecha, donde:

      Dedo índice = velocidad

      Dedo del medio = campo

      Dedo pulgar = fuerza

      Formando 90 grados entre la Fuerza con la corriente y el campo magnético. El sentido de la fuerza es para cargas positivas. Si las cargas son negativas el sentido es el opuesto al obtenido con la regla de la mano derecha. En este caso se puede aplicar la mano izquierda.

       

      FUERZA DE LORENTZ

      Al observar experimentalmente cómo es la fuerza que un campo B ejerce sobre una carga eléctrica q se cumple que:

      - Si la carga está en reposo, el campo B no ejerce ninguna fuerza sobre ella.

      - La fuerza es máxima cuando la velocidad de la carga v y el campo B son perpendiculares y es nula cuando son paralelos.

      - La fuerza es perpendicular al plano formado por v y B.

      - La fuerza es proporcional al valor de la carga q y a la velocidad v.

      - Si la carga cambia de signo, la fuerza cambia de sentido.

       

      Resumiendo todos estos hechos, se concluye que la fuerza F que un campo B ejerce sobre una carga eléctrica q que se mueve con una velocidad v viene dada por la expresión:

       

      Para el campo magnético se cumple que:

      La fuerza magnética es perpendicular a las líneas de campo B

       

      Dado que la fuerza de Lorentz implica el uso de una representación tridimensional para visualizar las direcciones de los vectores que en ella intervienen, es necesario definir una convención simbólica para representar las líneas de los vectores que inciden sobre la superficie sobre la que escribimos. Para ello se representa los vectores salientes del plano, con círculos (punta de una flecha) y los entrantes con cruces (colas de flecha), tal y como se muestra en la figura.

      Una regla mnemotécnica para recordar esta convención es imaginarse estos vectores como flechas que atraviesan el papel.

       

      El movimiento correspondiente a este tipo de fuerzas centrales es un movimiento circular uniforme, con la fuerza de Lorentz actuando como fuerza centrípeta.

      Si el campo magnético entra al plano, una carga positiva describirá una circunferencia en sentido anti horario; en el caso que sea una carga negativa, el sentido del movimiento será horario.

      FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UN CONDUCTOR RECTILÍNEO

      En nuestra sociedad gran parte del consumo energético tiene lugar como electricidad. En ella la carga se desplaza a lo largo de los cables, que podemos asimilar idealmente a hilos conductores.

      Dado que son cargas eléctricas moviéndose y un campo magnético ejerce fuerza sobre cargas móviles, cabe preguntarse por la fuerza ejercida sobre un hilo conductor rectilíneo al verse afectado por un campo magnético.

       Según su definición, la intensidad de una corriente eléctrica es el número de cargas que pasan por unidad de tiempo por una determinada sección del hilo:

                

         Suponiendo que todas las cargas se desplazan a la misma velocidad, entonces el número de cargas que pasan por la sección será proporcional a esta velocidad, concretamente para un hilo de longitud L el número total de partículas que pasarán por la sección serán:

             

        Según la expresión de la fuerza de Lorentz, sobre la carga Δq actuará una fuerza:

       donde se ha hecho uso de las expresiones calculadas anteriormente para Δq y L.

      El sentido de la fuerza también se puede obtener por la regla de la mano derecha, considerando a la velocidad de las cargas positivas en la misma dirección del conductor.

      FUERZA MAGNÉTICA ENTRE DOS CONDUCTORES DE CORRIENTES PARALELAS

      Hasta ahora se ha visto el campo magnético producido por una corriente en un conductor, pero ¿qué ocurre si existe más de un circuito?

      Ampere descubrió que dos corrientes eléctricas circulando en paralelo podían repelerse o atraerse con fuerzas magnéticas directamente proporcionales a las intensidades de cada una de ellas. Esto es fácilmente demostrable a partir de la ley de Biot y Savart.

      Si se tienen dos conductores rectilíneos paralelos por los que circulan dos corrientes eléctricas del mismo sentido I1 e I2. Tal y como muestra la figura ambos conductores generarán un campo magnético uno sobre el otro, dando lugar a una fuerza entre ellos.

      El vector B1 es perpendicular al conductor 2. Por tanto, la fuerza que ejerce el conductor 1 sobre el conductor 2 es:


      La fuerza ejercida por el conductor 2 sobre el conductor 1, F2-1, tiene el mismo modulo y dirección, pero sentido contrario, pues estas fuerzas cumplen el principio de acción y reacción:


      F1-2 = -F2-1

      La fuerza que experimentan los conductores es:



      Por tanto ambas fuerzas son del mismo módulo y dirección, están contenidas en el mismo plano y su dirección es perpendicular a ambos (observa la imagen). El sentido depende de la dirección de la corriente, si ambas tienen el mismo sentido su producto será siempre positivo y apuntarán de un cable hacia el otro atrayéndolos, mientras que si tienen sentidos contrarios, el producto será negativo y se dirigirán hacia afuera, tendiendo a separar los conductores.

      Esta fuerza es atractiva cuando las corrientes tienen el mismo sentido y repulsiva si el sentido es opuesto.

      INDUCCIÓN MAGNÉTICA

      En la experiencia de Oesterd se mostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético. Podríamos preguntarnos si es posible el proceso inverso, esto es: crear una corriente eléctrica a partir de un campo magnético.
      Michael Faraday (1791-1867) y Joseph Henry (1797-1878) llevaron a cabo diversos experimentos (hacia 1830) que permitieron dar respuesta a esta pregunta.

      Experiencia de Faraday
      Fue Faraday en 1831 quien comprobó que al acercar un imán a una espira en ésta se origina una corriente que invierte su sentido cuando el imán se aleja.


      Un dato importante es que la corriente aparece sólo cuando el imán está en movimiento respecto de la espira (puede moverse el imán o la espira, es igual) y cesa una vez que cesa el movimiento.
      El origen de la corriente eléctrica, por tanto, no es la presencia de un campo magnético, sino la variación del campo que atraviesa la espira.


      Como se puede ver en la figura las líneas de fuerza del campo del imán están más juntas cerca de los polos (mayor intensidad), y más separadas (menor intensidad) a medida que nos alejamos de ellos, con lo que al acercar o separar el imán de la espira se produce una variación del campo magnético que la atraviesa.

      Otro dato experimental importante es que la intensidad de la corriente inducida depende de lo rápido que se mueva el imán respecto de la espira. Esto indica una dependencia con la rapidez de variación del campo magnético.

      Primera experiencia: movimiento de un imán en el interior de una bobina
      Conectó los extremos de la bobina a un galvanómetro para poder medir la corriente inducida al introducir y extraer el imán.
      Resultados:
      a. Si se acerca el imán a la bobina, aparece una corriente inducida durante el movimiento del imán.
      b. El sentido de la corriente inducida en la bobina se invierte si se aleja el imán.
      c. Con la bobina y el imán fijos no se observa corriente inducida alguna.
      Se obtienen los mismos resultados si mantenemos fijo el imán y se mueve la bobina.

      En esta experiencia, la intensidad de la corriente inducida depende de la velocidad con la que se mueva el imán (o la bobina), de la intensidad del campo magnético del imán y del número de espiras de la bobina.
      Faraday interpretó que para inducir una corriente eléctrica en un circuito es necesario variar el número de líneas de inducción magnética que lo atraviesan.

      Segunda experiencia:

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      Se enrollan las dos bobinas alrededor de una barra de hierro. La primera bobina se conecta a la batería con un interruptor. La segunda bobina se conecta a un galvanómetro para medir la corriente inducida al cerrar y abrir el interruptor.
      Resultados:
      a. Al conectar el interruptor se induce una corriente eléctrica en la segunda bobina. Las corrientes en las dos bobinas circulan en sentidos contrarios.
      b. Al desconectar el interruptor se induce de nuevo una corriente eléctrica en la segunda bobina. Ahora la corriente inducida tiene sentido opuesto a la del caso anterior.
      c. Se induce corriente en la segunda bobina mientras aumenta o disminuye la intensidad de corriente en la primera bobina, pero no mientras se mantiene constante. Esto demuestra que la inducción de corriente eléctrica en un circuito es debida a campos magnéticos variables.
      Las dos experiencias descritas nos permiten comprender el fenómeno de la inducción electromagnética.
      La inducción electromagnética consiste en la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cuando varía el número de líneas de inducción magnética que lo atraviesan.

      FLUJO MAGNÉTICO, Φ

      Faraday explicó de forma cualitativa el fenómeno de la inducción electromagnética.

      La ley matemática que explica este proceso físico, a la que se da el nombre de ley de Faraday, se expresa en función de una magnitud llamada flujo magnético.

      El flujo magnético, Φ, a través de una superficie es una medida del número de líneas de inducción que atraviesan dicha superficie.
      Por convenio la intensidad del campo magnético se hace igual al número de líneas de campo que atraviesan la unidad de superficie colocada perpendicularmente a ellas.
      Si queremos saber el número de líneas que atraviesan la superficie S, perpendicular a las líneas de campo, bastará multiplicar la intensidad por la superficie.

      Esta magnitud recibe el nombre de flujo del campo magnético (ΦB):

       Si la superficie no está colocada perpendicularmente a las líneas de campo, sino que forma con ellas cierto ángulo, el flujo magnético a través de esa superficie viene dado por:


      El ángulo es el formado por el vector campo magnético y la perpendicular a la superficie.



      · La unidad S.I. de flujo magnético es el tesla por metro cuadrado (T . m2) y recibe el nombre de weber (Wb) en honor de Wilhem Weber (1804-1891)

      LEY DE FARADAY
      Está basada en los experimentos que hizo Michael Faraday en 1831 y establece que el voltaje (fuerza electromotriz inducida: fem) inducido en una bobina es directamente proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético por unidad de tiempo. Sabemos que un campo magnético variable induce una corriente eléctrica en un circuito. Este fenómeno, conocido como inducción electromagnética, puede ser formulado mediante una ley matemática, la ley de Faraday.


      Para enunciar esta ley es preciso cuantificar la corriente inducida mediante una magnitud física. Esta magnitud podría ser la intensidad de corriente, pero depende de la resistencia del material que forma el circuito. Por ello, es preferible utilizar la fuerza electromotriz inducida o fem inducida.

      Experimentalmente observamos que la fuerza electromotriz inducida es proporcional a la variación de flujo magnético, ΔΦ, e inversamente proporcional al tiempo invertido en dicha variación, Δt.

      La fuerza electromotriz inducida media vale:


      El signo negativo nos indica que la fuerza electromotriz inducida se opone a la variación del flujo magnético (ley de Lenz).
      La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a la velocidad con que varía el flujo magnético a través de dicho circuito, cambiada de signo.

      En forma general, considerando número de espiras (N):


      Donde:
      N: número de espiras
      ΔФ: variación de flujo magnético (weber: Wb)
      Δt: intervalo de tiempo (s)
      εin : fem inducida (volt: V)
      (-): El signo negativo se debe a que el voltaje inducido tiene un sentido tal que establece una corriente que se opone al cambio de flujo magnético.

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      EXPERIENCIA DE HENRY

      Henry realizó, de forma simultánea con Faraday, una experiencia que permitió una mejor comprensión del fenómeno de la inducción de una corriente eléctrica a partir de un campo magnético.
      La experiencia de Henry consistió en deslizar un conductor móvil sobre otro doblado en forma de U (ver figura), situado en el seno de un campo magnético constante y perpendicular a la dirección del movimiento.


      En el caso del experimento de Henry, suponiendo que el conductor se desplaza con una velocidad constante, v, la variación de flujo podría calcularse de la forma siguiente:

      Como consecuencia del movimiento (y de la presencia del campo magnético) aparece una fuerza de Lorentz sobre las cargas libres del conductor (electrones). Por tanto, las cargas negativas se desplazan hacia el extremo derecho del conductor móvil, mientras que en el izquierdo se acumularán las positivas creándose una diferencia de potencial entre ambos extremos que hará que comience a circular una corriente por el circuito.

      En la experiencia de Henry se induce una corriente de forma un tanto diferente a la de Faraday. Ahora el campo magnético es uniforme y lo que varía es el tamaño de "la espira" que forma el circuito.

      Comparando ambas experiencias podemos llegar a la conclusión de que lo que varía en ambas es la cantidad de líneas de campo que atraviesa el circuito en el que se induce la corriente.

      LEY DE LENZ
      En 1833 Heinrich Lenz (1804-1865) hizo una nueva contribución para la comprensión del fenómeno al descubrir la regla (Ley de Lenz) que permite establecer el sentido de la corriente inducida.

      El sentido de la corriente inducida es tal que se opone a la causa que la origina.

      En la experiencia de Faraday la causa que produce la corriente inducida cuando se acerca el imán es el aumento de la intensidad del campo magnético.

      En este caso la corriente inducida es tal que tiende a crear un campo magnético contrario, que hace que disminuya el campo inductor. Cuando alejamos el imán se produce una disminución en la intensidad del campo. La corriente que se induce tiene un sentido tal que origina un campo que refuerza al campo inductor.

      La Ley de Lenz puede reformularse, teniendo en cuenta el concepto de flujo, en la forma siguiente:
      El sentido de la corriente inducida es tal que siempre se opone a la variación del flujo que la produce.

      Esto es:
      - Si la corriente se induce debido a un aumento del flujo magnético, el sentido de la corriente será el que genere un campo magnético opuesto al campo inductor (produciendo de esta manera un campo más pequeño y una disminución del flujo). Al acercarse el imán a la espira, aumentará el flujo magnético que atraviesa la espira; por lo tanto la corriente inducida “i” generará líneas que se oponen al aumento. Por lo tanto, el sentido de la corriente inducida “i” es “antihorario”

      - Si la corriente se induce debido a una disminución del flujo magnético, el sentido de la corriente será el que genere un campo magnético del mismo sentido que el campo inductor (produciendo de esta manera un reforzamiento del campo y un aumento del flujo).
      La fuerza electromotriz inducida es igual, y de signo contrario, a la rapidez con que varía el flujo magnético.


      En la experiencia de Henry la causa que produce la corriente inducida es el desplazamiento del conductor (hacia la derecha en la figura) . En este caso la corriente inducida es tal que el campo magnético ejerce sobre las cargas que circulan por el conductor móvil una fuerza que tiene a dificultar su desplazamiento (hacia la izquierda en la figura)

      TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS

      Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

       

      El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material  ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios, según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

       

      Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro.

      Este flujo originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario.

      La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada.

      La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Vp), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Vs), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:

       

      La relación entre la corriente en el primario  (Ip), la aplicada al devanado primario y la corriente de salida (Is), la obtenida en el secundario, es inversamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:

      Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.

      Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23000 volt en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación.

      Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario:

      Pp=Ps

      Vp Ip=Vs Is

      El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 ampere, la del secundario será de solo 0,1 ampere (una centésima parte).

       

      SÍNTESIS ELECTROMAGNÉTICA

      Las investigaciones de Oersted, Ampere y Faraday pusieron de manifiesto la estrecha relación existente entre campos eléctricos y magnéticos. Oersted y Ampere demostraron que una corriente eléctrica crea un campo magnético, y Faraday demostró que un campo magnético variable induce una corriente eléctrica en un circuito.

      Hacia 1860, el desarrollo matemático de estas ideas condujo al físico escocés J. C. Maxwell a una descripción unificada de los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos: la teoría electromagnética.

      El trabajo de Maxwell supuso un paso muy importante en la comprensión de los fenómenos electromagnéticos.

       

      Maxwell predijo que un campo eléctrico variable genera un campo magnético y, a su vez, un campo magnético variable genera un campo eléctrico. Postuló que las variaciones de los campos eléctricos y magnéticos se propagan por el espacio en forma de radiaciones electromagnéticas, a una velocidad dada por:

      Donde:

      ε0 (constante dieléctrica del vacío) = 8,854 ⋅ 10-12 C2/N⋅m2

      μ0 (permeabilidad magnética del vacío) = 4π ⋅ 10-7 T⋅m/A

      Si se sustituyen estos valores en la expresión dada, se comprueba que

      c = 3 ⋅ 108 m/s.

      Esta velocidad es justamente la velocidad de la luz. Maxwell no creyó que esto fuera una coincidencia y, en 1865, sugirió que la luz es una onda electromagnética. Además, afirmó que la luz visible era solo una pequeña parte de todo un espectro de radiaciones electromagnéticas.

      Las predicciones teóricas de Maxwell fueron confirmadas en 1887 por el físico alemán H. Hertz, quien demostró experimentalmente que circuitos oscilantes emiten ondas electromagnéticas.

      Como vimos en la unidad dedicada a la luz, las ondas electromagnéticas se caracterizan por la frecuencia de oscilación de sus campos eléctrico y magnético. Cuanto más alta es esta frecuencia, más energética es la radiación electromagnética.

      El espectro electromagnético está formado por la secuencia de todas las ondas electromagnéticas conocidas, ordenadas según su longitud de onda o su frecuencia.





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