Magnetismo y electromagnetismo
Toda corriente crea un campo magnético, y todo campo magnético puede ejercer fuerza sobre una corriente. De ese ida y vuelta salen el motor, el relé, el parlante y —en el tema siguiente— el transformador y el generador.
01El campo magnético
Un imán tiene dos polos, norte y sur. Polos iguales se repelen, distintos se atraen. Entre ellos existe un campo que se representa con líneas de fuerza cerradas: salen del polo norte, recorren el exterior, entran por el sur y se cierran por dentro del imán.
Las cargas eléctricas se pueden separar: hay cuerpos con carga positiva y otros con negativa. Los polos magnéticos no. Si se parte un imán al medio no se obtiene un polo norte y un polo sur sueltos: se obtienen dos imanes completos, cada uno con sus dos polos. Por eso las líneas de campo magnético son siempre cerradas, mientras que las eléctricas nacen y mueren en cargas.
Las magnitudes
| Magnitud | Símbolo | Unidad | Qué representa |
|---|---|---|---|
| Flujo magnético | Φ | weber (Wb) | Cantidad total de líneas que atraviesan una superficie. |
| Inducción o densidad de flujo | B | tesla (T) | Flujo por unidad de área: qué tan concentrado está el campo. 1 T = 1 Wb/m². |
| Intensidad de campo | H | A/m | El «esfuerzo» magnetizante que aplica la corriente, independiente del material. |
| Permeabilidad | µ | H/m | Qué tan bien el material deja establecerse el campo. µ = µ0·µr. |
| Fuerza magnetomotriz | ℱ | A·vuelta | La «causa» del campo: ℱ = N·I. |
| Reluctancia | ℛ | A·v/Wb | Oposición del circuito magnético al establecimiento del flujo. |
Como referencia de magnitudes reales: el campo magnético terrestre vale unos 50 µT; un imán de heladera, 5 mT; el entrehierro de un motor, 1 T; un imán de neodimio pegado a hierro, 1,4 T; un resonador magnético de hospital, 3 T.
02El campo creado por una corriente
Oersted lo descubrió por accidente en 1820: una brújula se desviaba al pasar corriente por un cable cercano. Ese hallazgo unió dos ramas de la física que se creían separadas y fundó todo lo que sigue.
Metiendo un núcleo de hierro dulce en el solenoide, µ pasa de µ0 a µ0·µr con µr de varios miles. El campo se multiplica por ese factor sin cambiar nada más. Eso convierte a la bobina en un electroimán potente y, a diferencia de un imán permanente, se puede encender y apagar. De ahí salen el relé, el contactor, la electroválvula y la grúa de chatarra.
03Materiales magnéticos
| Tipo | µr | Comportamiento | Ejemplos |
|---|---|---|---|
| Diamagnéticos | un poco < 1 | Se oponen levemente al campo; son repelidos. | Cobre, plata, agua, bismuto |
| Paramagnéticos | un poco > 1 | Se magnetizan muy débilmente. | Aluminio, platino, oxígeno |
| Ferromagnéticos | 100 a 100.000 | Se magnetizan intensamente y conservan parte del magnetismo. | Hierro, níquel, cobalto, ferritas |
Sólo los ferromagnéticos son técnicamente útiles. Su comportamiento se explica por los dominios magnéticos: regiones microscópicas ya magnetizadas que, en un material desmagnetizado, apuntan en direcciones al azar y se cancelan. Al aplicar un campo externo, los dominios se alinean y el material se convierte en un imán.
Cuando todos los dominios ya están alineados, aumentar la corriente ya no aumenta el campo: el núcleo está saturado. A partir de ahí la bobina se comporta como si no tuviera núcleo, la inductancia se desploma y la corriente se dispara. Es la causa de que un transformador alimentado con tensión excesiva —o con continua— se caliente y se queme. En el diseño se elige siempre trabajar por debajo de la saturación: unos 1,2 a 1,5 T en chapa de hierro-silicio, 0,3 a 0,4 T en ferrita.
04Circuitos magnéticos
Un circuito magnético es un camino cerrado por el que circula el flujo: el núcleo de un transformador, el de un relé, el estator de un motor. Se analiza con una analogía muy cómoda: se comporta igual que un circuito eléctrico.
| Circuito eléctrico | Circuito magnético | Relación |
|---|---|---|
| Fuerza electromotriz E [V] | Fuerza magnetomotriz ℱ = N·I [A·v] | La causa |
| Corriente I [A] | Flujo Φ [Wb] | El efecto |
| Resistencia R = ρ·L/A | Reluctancia ℛ = L/(µ·A) | La oposición |
| Ley de Ohm: I = E/R | Ley de Hopkinson: Φ = ℱ/ℛ | La ley |
| Resistencias en serie se suman | Reluctancias en serie se suman | Asociación |
Un núcleo toroidal de hierro (µr = 2000) de 20 cm de longitud media y 4 cm² de sección, con un entrehierro (una ranura de aire) de 1 mm. Bobinado de 500 vueltas con 2 A.
Reluctancia del hierro:
ℛFe = 0,199 / (4π×10−7 × 2000 × 0,0004) = 198.000 A·v/Wb
Reluctancia del entrehierro (aire, µr = 1):
ℛaire = 0,001 / (4π×10−7 × 1 × 0,0004) = 1.990.000 A·v/Wb
El entrehierro mide 0,5 % de la longitud del circuito y sin embargo aporta diez veces más reluctancia que todo el hierro. Total: ℛ = 2.188.000 A·v/Wb, y
Φ = (500 × 2) / 2.188.000 = 0,457 mWb → B = Φ/A = 1,14 T
Sin el entrehierro el flujo sería 5 mWb y B llegaría a 12,6 T: imposible, el núcleo se satura muchísimo antes. Conclusión: en un circuito magnético con entrehierro, el entrehierro domina el cálculo. Por eso los núcleos de transformador se arman con las chapas E-I intercaladas, para que no quede ningún hueco de aire.
05Fuerza sobre un conductor con corriente
El efecto recíproco del de Oersted: un conductor por el que circula corriente, colocado dentro de un campo magnético, siente una fuerza.
Con la mano izquierda: el índice apunta en el sentido del campo (de N a S), el mayor en el sentido de la corriente, y el pulgar indica la fuerza. Es la regla que explica el sentido de giro de todo motor de corriente continua.
Ojo con no mezclarla con la regla de la mano derecha, que se usa para el campo que crea una corriente y para la tensión inducida en un generador.
Un conductor de 8 cm dentro de un campo de 0,8 T con 5 A perpendiculares:
F = 0,8 × 5 × 0,08 = 0,32 N
Poco. Pero un bobinado con 200 conductores activos da 64 N, y multiplicado por el radio del rotor se obtiene el par. Por eso los motores tienen muchas vueltas y no una sola espira.
06Aplicaciones directas
Un electroimán atrae una armadura que cierra o abre contactos mecánicos. Permite que un circuito de baja tensión y baja corriente (la salida de un microcontrolador, con un transistor) maneje una carga de 220 V y varios amperes, con aislación galvánica total entre ambos.
Datos que hay que mirar: tensión de bobina (5, 12, 24 V), corriente de bobina, y capacidad de los contactos (por ejemplo «10 A / 250 V~»). Y siempre el diodo de rueda libre, como se vio en el transistor como llave — que la publicación de transistores muestra funcionando con un LED.
Una bobina móvil pegada al cono, dentro del campo de un imán permanente. La corriente de audio produce una fuerza F = B·I·L que empuja el cono adelante y atrás siguiendo la señal.
Es el mismo mecanismo que el galvanómetro de bobina móvil, sólo que sin resortes de restitución y optimizado para moverse rápido. Y funciona también al revés: empujando el cono se genera tensión, que es exactamente cómo funciona un micrófono dinámico.
Un bobinado (rotor) dentro del campo de un imán o de otro bobinado (estator). La fuerza de Laplace lo hace girar; el colector y las escobillas invierten la corriente cada media vuelta para que el par no cambie de sentido.
Un solenoide que atrae un vástago metálico y abre o cierra el paso de un fluido. Es el actuador más común en neumática e hidráulica, tema de Electrónica Industrial II en 7° año.
07En el laboratorio
Una brújula debajo de un conductor recto conectado a una pila a través de una resistencia de limitación. Al cerrar el circuito la aguja se desvía; al invertir la polaridad, se desvía al otro lado. Verificar el sentido con la regla de la mano derecha. Alejar la brújula y comprobar que la desviación disminuye (B cae con 1/r).
Bobinar 200 vueltas de alambre esmaltado de 0,5 mm sobre un clavo grande. Alimentar con 6 V a través de una resistencia (medir la corriente) y contar cuántos clips levanta.
- Duplicar la corriente y contar de nuevo.
- Duplicar las vueltas manteniendo la corriente original y contar de nuevo.
- Sacar el clavo y repetir con núcleo de aire.
Los tres resultados verifican que lo que importa son las ampere-vuelta y que el núcleo ferromagnético multiplica el efecto. Atención al calentamiento del bobinado: no dejarlo conectado más de unos segundos.
Limadura de hierro sobre una hoja de papel o acetato, con un imán debajo. Golpear suavemente el papel: las limaduras se orientan y dibujan las líneas. Repetir con dos imanes enfrentados por polos iguales y por polos opuestos. Después reemplazar el imán por un solenoide alimentado y comparar la forma del campo: es prácticamente la misma.
Un tramo de alambre rígido colgando entre los polos de un imán en herradura, conectado a una fuente con limitación de corriente. Al cerrar el circuito el alambre salta hacia afuera o hacia adentro según la polaridad. Verificar con la regla de la mano izquierda. Es la demostración directa del principio del motor.
08Errores frecuentes
| Confusión | Aclaración |
|---|---|
| Mezclar B con H | H es lo que aplica la corriente (N·I/L, no depende del material); B es el campo resultante (B = µ·H, sí depende del material). |
| Mezclar la mano derecha con la izquierda | Derecha: campo que crea una corriente, y tensión inducida. Izquierda: fuerza sobre un conductor con corriente (motor). |
| Creer que se puede aislar un polo magnético | Al partir un imán se obtienen dos imanes completos. No existen monopolos magnéticos. |
| El electroimán no levanta nada | Pocas ampere-vuelta, o núcleo de material no ferromagnético (el aluminio y el bronce no sirven). |
| El electroimán se calienta y no mejora al subir la tensión | Núcleo saturado: todos los dominios ya están alineados y sólo aumenta la pérdida por efecto Joule. |
| El cálculo del circuito magnético da un flujo absurdo | Se olvidó el entrehierro, que suele dominar la reluctancia total aunque sea de un milímetro. |
| El núcleo queda imantado al desconectar | Magnetismo remanente. Es normal en el hierro; los núcleos de relé usan hierro dulce y a veces un tope antirremanente justamente por eso. |
09Autoevaluación
¿Por qué las líneas de campo magnético son cerradas y las eléctricas no?
Porque no existen monopolos magnéticos: no hay un «polo norte suelto» donde una línea pueda nacer. Las líneas eléctricas, en cambio, nacen en cargas positivas y mueren en negativas, que sí se pueden separar.
Un solenoide de 300 vueltas y 15 cm de largo con 2 A y núcleo de aire. ¿Cuánto vale B?
B = µ₀·N·I/L = 4π×10−7 × 300 × 2 / 0,15 = 5,0 mT. Con un núcleo de hierro de µr = 2000 subiría a unos 10 T teóricos, pero el núcleo saturaría mucho antes (alrededor de 1,5 T).
¿Qué son las ampere-vuelta y por qué importan?
Son el producto N·I, la fuerza magnetomotriz. Lo que determina el campo no es la corriente sola ni las vueltas solas sino su producto: 1000 vueltas con 0,1 A producen lo mismo que 100 vueltas con 1 A. Se elige la combinación según la fuente disponible y la disipación aceptable.
¿Qué significa que un núcleo esté saturado?
Que todos sus dominios magnéticos ya están alineados y aumentar la corriente ya no aumenta B. La inductancia se desploma, la corriente crece sin control y el bobinado se calienta. Es lo que le pasa a un transformador si se lo alimenta con tensión excesiva o con continua.
En un circuito magnético con entrehierro de 1 mm, ¿por qué domina el entrehierro?
Porque la reluctancia es ℛ = L/(µ·A), y en el aire µr = 1 mientras que en el hierro es de miles. Aunque el entrehierro sea 200 veces más corto que el hierro, su reluctancia puede ser 10 veces mayor. Por eso las chapas de un transformador se intercalan sin dejar huecos.
Un conductor de 20 cm con 3 A, dentro de un campo de 0,5 T perpendicular. ¿Qué fuerza siente?
F = B·I·L·sen 90° = 0,5 × 3 × 0,2 = 0,3 N. Si el conductor fuera paralelo al campo, la fuerza sería cero.
¿Qué ventaja aporta un relé frente a un transistor manejando la carga directamente?
Aislación galvánica: no hay conexión eléctrica entre el circuito de mando y el de potencia. Además maneja alterna y continua indistintamente, soporta sobrecargas y su contacto cerrado tiene una resistencia casi nula. A cambio es lento, hace ruido, se desgasta y necesita más corriente de mando.
¿Por qué un parlante y un micrófono dinámico son el mismo dispositivo?
Porque el mecanismo bobina-imán funciona en los dos sentidos: si se le inyecta corriente, aparece fuerza y el cono se mueve (parlante); si se mueve el cono, se induce una tensión (micrófono). Un parlante chico sirve efectivamente como micrófono, y es un experimento clásico.