Campo Electrico
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CAMPO ELÉCTRICO Y CAMPO MAGNÉTICO.
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CAMPO ELÉCTRICO Y CAMPO
MAGNÉTICO.
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ÍNDICE
4.1 INTRODUCCIÓN. (2)
4.2 CAMPO ELÉCTRICO. (3)
Cálculo de la intensidad del campo eléctrico.
Líneas de fuerza de campo eléctrico.
Teorema de Gauss.
Campo y carga dentro de un conductor.
Rigidez dieléctrica.
4.3 MAGNETISMO Y CAMPO MAGNÉTICO. (9)
Magnetismo.
Materiales magnéticos.
Imanes naturales.
Imanes artificiales.
Blindaje.
Naturaleza del magnetismo, campo magnético.
Teoría del dominio. Líneas de fuerza de campo magnético.
Trayectorias de las líneas magnéticas
Naturaleza de las líneas de fuerza
Leyes de atracción y repulsión.
4.4 ELECTROMAGNETISMO. (23)
Campo magnético inducido.
Fuerzas magnéticas.
Regla de la mano izquierda para bobinas.
Electroimanes.
Inducción electromagnética y fuerza sobre un conductor.
Fuerza y momento sobre una espira.
4.1 INTRODUCCIÓN.
2
Existe una relación muy estrecha entre la electricidad
y el magnetismo cuya comprensión conduce hacia el
entendimiento de los principios básicos para la fabricación y
el funcionamiento de las máquinas eléctricas.
Los principios de la inducción electromagnética
presentados en este tema son la base para el
funcionamiento de los generadores de corriente alterna, los
cuales se detallarán posteriormente.
Los conceptos, teorías y leyes presentados en este
tema son fundamentales y útiles para conocer y entender
fácilmente esta relación. Además se presentarán los
materiales más comunes que muestran características
magnéticas, así como también su origen y comportamiento.
Al terminar este tema usted deberá:
a).- Comprender lo que es un campo eléctrico.
b).- Comprender lo que es un campo magnético.
c).- Entender el teorema de Gauss.
d).- Entender la teoría de la regla de la mano izquierda para
bobinas.
e).- Conocer el funcionamiento de los electroimanes.
f).- Explicar lo que es inducción electromagnética.
4.2 CAMPO ELÉCTRICO.
3
En la figura 4.1(a) se muestran 2 cuerpos cargados
positivamente (A y B) entre los cuales se origina una fuerza
eléctrica de repulsión de acuerdo a la primera ley de la
electrostática que dice que cargas iguales se repelen y
cargas opuestas se atraen.
Este tipo de fuerza se manifiesta sin que exista
ninguna conexión física entre los cuerpos. Cada uno de los
cuerpos cargados, modifica las propiedades del espacio que
lo rodea.
La figura 4.1(b) muestra que el cuerpo B ha sido
desplazado dejando un espacio al que llamamos P. En
estas condiciones, el campo eléctrico producido por el
cuerpo A, se manifiesta en el punto P, aunque no produce
ninguna fuerza de repulsión. De lo anterior, podemos
concluir que el campo eléctrico que circunda al cuerpo A
ejerce una fuerza sobre B.
La comprobación experimental de la existencia de un
campo eléctrico consiste en colocar un cuerpo cargado o
carga de prueba en un punto y al ejercer una fuerza (de
origen eléctrico) sobre éste, existe un campo eléctrico en
dicho punto.
+++ +
++
+
++ +++
+++
+
A B
AP
(a)
(b)
F F
Figura 4.1 Fuerzas ejercidas por campos eléctricos
producidos por cuerpos cargados.
Un campo eléctrico existe al-rededor de un cuerpo carga-do
4
Se dice que existe un campo eléctrico en un punto si
sobre un cuerpo cargado colocado en dicho punto se ejerce
una fuerza de origen eléctrico.
Comparando las fuerzas ejercidas sobre la carga de
prueba cuando está cargada y cuando está descargada, se
puede determinar si la fuerza es de origen eléctrico o no.
El valor del campo en cualquier punto es directamente
proporcional a la fuerza ejercida sobre el cuerpo e
inversamente proporcional a la carga del cuerpo. Dicho de
otro modo, el valor de un campo eléctrico es la fuerza por
unidad de carga, lo cual puede escribirse como:
EFq
=
donde:
E: Intensidad del campo eléctrico (newton/coulomb)
F: Fuerza (newton)
q: Carga (coulomb)
La dirección del campo eléctrico en un punto es la
dirección de la fuerza ejercida sobre una carga de prueba
positiva colocada en ese punto. La fuerza sobre una carga
negativa o electrón, es opuesta a la dirección del campo.
Un campo eléctrico E se expresa como la fuerza por unidad de carga.
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Cálculo de la intensidad del campo eléctrico.
La intensidad del campo eléctrico en un punto puede
calcularse experimentalmente colocando en dicho punto una
carga de prueba, posteriormente se mide la fuerza que se
ejerce sobre ella y se calcula la relación entre la fuerza y la
carga.
La intensidad del campo eléctrico en un punto puede
calcularse también partiendo de la ley de Coulomb que dice
que dos cuerpos cargados se atraen o se repelen con
una fuerza que es directamente proporcional al producto
de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado
de las distancias entre ellas, esto si se conocen las
magnitudes y las posiciones de las cargas que crean el
campo.
Recordando la expresión matemática de la ley de
Coulomb y considerando que Q2 = q (carga de prueba)
tenemos:
F KQ Q
KQ1 2 1
rq
r2 2= =⋅ ⋅
de donde:
E F
K
Q
KQ
q
qrq r
112
2= = =
⋅
Esto representa la intensidad del campo eléctrico en el punto
P.
La ley de Coulomb dice que 2 cuerpos cargados se atraen o se repelen con una fuerza directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia.
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Líneas de fuerza de campo eléctrico.
El concepto de líneas de fuerza se introdujo como un
medio auxiliar para representar a los campos eléctricos (o
magnéticos). Una línea de fuerza en un campo eléctrico es
una línea imaginaria dibujada apuntando en la dirección del
campo.
En la figura 4.2 se muestran 3 casos distintos de
líneas de fuerza. En la parte superior se muestran líneas de
fuerza que rodean una carga positiva; en el centro tenemos
líneas de fuerza para 2 cargas (una positiva y una negativa)
y en la parte inferior líneas de fuerza para 2 cargas positivas.
La dirección del campo resultante para los esquemas
apunta en la dirección de las líneas de fuerza. Estas líneas
pueden utilizarse para indicar la magnitud de su campo al
igual que su dirección.
En una región donde la intensidad es grande, las
líneas de fuerza se muestran muy cercanas unas a otras, en
tanto que en una región donde la intensidad es pequeña, las
líneas de fuerza se muestran muy espaciadas.
Una línea de fuerza es una línea imaginaria dibujada para mostrar la dirección del campo eléctrico.
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Figura 4.2 Representación de un campo eléctrico y sus
líneas de fuerza.
Teorema de Gauss.
Si se considera una superficie cerrada en un campo
eléctrico, el número total de líneas de fuerza que salen, es
igual a la carga neta positiva dentro de la superficie,
asimismo, el número total de líneas de fuerza que entran es
igual a la carga neta negativa dentro de la superficie
independientemente de como estén distribuidas las cargas.
Si no hay ninguna carga dentro de la superficie cerrada, el
número de líneas de fuerza que la atraviesan es cero, a esto
se le conoce como Teorema de Gauss.
El teorema de Gauss estable-ce que por una superficie ce-rrada pasarán líneas de fuer-za iguales a la carga total que ésta encierra.
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Campo y carga dentro de un conductor.
Un conductor es un cuerpo dentro del cual existen
cargas o electrones libres que pueden ser movidos si se
ejerce sobre ellos una fuerza proveniente de un campo
eléctrico.
Si se somete un conductor dentro de un campo
eléctrico, habrá un movimiento de sus electrones que
continuará en tanto persista la presencia del campo eléctrico.
A este movimiento se le denomina corriente.
Rigidez dieléctrica.
Un aislante o dieléctrico es un material dentro del cual
prácticamente no hay partículas cargadas (electrones)
capaces de moverse bajo la influencia de un campo
eléctrico.
Sin embargo, existe para cada dieléctrico cierto nivel
de intensidad de campo eléctrico por encima del cual el
material pierde sus propiedades como aislante y se convierte
en un conductor. La intensidad máxima de campo eléctrico
que un dieléctrico puede soportar sin que se quebrante su
característica aislante, se denomina rigidez dieléctrica.
La rigidez dieléctrica de un elemento indica el nivel de intensidad de campo eléctri-co por sobre el cual éste pierde sus características di-eléctricas.
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4.3 MAGNETISMO Y CAMPO MAGNÉTICO.
Magnetismo.
Los primeros fenómenos magnéticos observados se
relacionaban con los llamados imanes naturales, trozos de
un mineral de hierro con características especiales, los
cuales fueron por primera vez encontrados junto a la antigua
ciudad de Magnesia (de donde proviene el término
magneto).
A este mineral se le denominó magnetita en honor al
lugar en que se encontraron y llamó poderosamente la
atención por tener la propiedad de atraer materiales como
hierro, acero, níquel o cobalto, los cuales son conocidos
como materiales magnéticos.
Un imán o magneto se puede definir como un material
que posee la propiedad de atraer otros materiales de origen
ferroso y que tiene 2 polos magnéticos, norte y sur. Si cerca
de un magneto en forma de barra se mueve una aguja
magnetizada, se pueden observar 2 puntos opuestos de
máxima atracción y un punto en el centro de atracción nulo.
Estos puntos de máxima atracción son los llamados polos
magnéticos.
El espacio alrededor de un imán, en el cual una fuerza
magnética actúa, es llamado campo magnético. El campo
consiste de líneas imaginarias a lo largo de las cuales actúa
una fuerza magnética. Estas líneas salen del polo norte del
imán y entran por el polo sur completando la trayectoria.
Al material que tiene la capa-cidad de atraer cuerpos de origen ferroso se le llama magneto o imán.
Las líneas de fuerza en un magneto salen del polo norte y entran por el polo sur.
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Un circuito magnético es una trayectoria completa a
través de la cual se establecen las líneas de fuerza
magnética. La cantidad total de líneas de campo alrededor
de un magneto es llamada flujo magnético. Asimismo, al
número de líneas por unidad de área se le conoce como
densidad de flujo magnético y se expresa de la siguiente
forma:
BA
=ϕ
donde B es la densidad de flujo, ϕ es el número de líneas y
A el área seccional del circuito magnético.
Materiales magnéticos.
Los imanes o magnetos pueden ser divididos en 2
grupos de acuerdo a su origen:
1. Imanes naturales.
2. Imanes artificiales.
Imanes Naturales.
Son aquéllos que no fueron construidos y que se
pueden encontrar en forma natural. Unos ejemplos de un
imán natural son la magnetita (Fe3O4) y el planeta tierra,
mostrados en la figura 4.3.
Un imán natural no se cons-truye, existe en su forma na-tural (magnetita).
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MagnetitaTierra
N
S
Figura 4.3 Imanes naturales.
Imanes Artificiales.
Los imanes o magnetos naturales prácticamente ya no
se utilizan debido a que los imanes que pueden ser
producidos artificialmente son más potentes y se construyen
para una determinada aplicación. En la figura 4.4 se
muestran los imanes artificiales, los cuales son ideados y
construidos por el hombre y se clasifican como temporales o
permanentes.
Figura 4.4 Imanes artificiales.
12
Imanes temporales: Los imanes temporales
solamente se comportan como tales durante el tiempo que
duren las condiciones necesarias, las cuales son producidas
por la electricidad. A éstos se les conoce como
electroimanes y se muestran en la figura 4.5.
Figura 4.5 Imán temporal (electroimán).
Los materiales utilizados como imanes temporales son
el hierro suave y las aleaciones de hierro. Este punto se
detallará más adelante en este tema.
Imanes permanentes: Son aquellos que
conservan sus propiedades por mucho tiempo. Los hay de
distintas formas y tamaños como los que se muestran en la
figura 4.6.
N
S NN
S
S
Figura 4.6 Imanes permanentes.
Un electroimán, también co-nocido como electromag-neto, es un ejemplo clásico de un imán temporal.
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El acero y aleaciones del acero son materiales usados
para producir buenos imanes permanentes. Uno de los tipos
más comunes de imanes permanentes son fabricados de un
material llamado alnico, el cual es una mezcla de aluminio,
níquel, cobalto y hierro.
Blindaje.
Debido a que todos los materiales tienen alguna
habilidad para conducir líneas de fuerza de campo
magnético, no es práctico tener un aislante magnético. Un
magneto potente puede causar un daño permanente en
algunos instrumentos sensibles. Por esta razón es
importante prevenir que un flujo magnético pase a través del
instrumento.
Para esto se puede desarrollar una forma de blindaje
magnético en vez de pretender blindar magnéticamente. De
esta forma se proporciona una mejor trayectoria de
conducción para las líneas de flujo, de manera que se
desvíen del área a blindar. Esto se logra utilizando
materiales que sean altamente eficientes para la conducción
de líneas de flujo magnético.
Cuando se coloca una pieza de hierro suave cerca de
un magneto, el campo se distorsiona y las líneas de campo
tienden a pasar a través del hierro en lugar del aire debido a
que el hierro tiene una mejor atracción magnética que el aire.
Esto se muestra en la figura 4.7.
Este principio es utilizado para construir blindajes
magnéticos. Muchos instrumentos costosos que pueden
estar sujetos a influencias magnéticas están rodeados por
hierro o aleaciones de hierro. Un ejemplo se muestra en la
figura 4.8.
El blindaje protege a los instrumentos de medición en contra de algún daño perma-nente.
14
Pieza de Hierro
S N
Figura 4.7. Distorsión del flujo magnético con una pieza
de hierro.
12 12
3
457
9
8
1011
Hierro suave
Figura 4.8 Blindaje magnético de un reloj.
Naturaleza del magnetismo y campo magnético.
Si una barra de magneto es seccionada por la mitad,
cada mitad a su vez constituye un magneto con sus propios
polos, norte y sur. Si continuamos seccionando cada mitad
en partes cada vez mas pequeñas, cada una de éstas será
un magneto.
La teoría de Weber dice que una substancia magnética está compuesta por magne-tos a nivel molecular.
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Esta separación de un magneto en magnetos más
pequeños, indica que una substancia magnética está
compuesta por magnetos moleculares. Esta es una teoría
llamada Teoría Molecular del Magnetismo o Teoría de
Weber.
Cuando un material es magnetizado, las moléculas
son alineadas tal como se muestra en la figura 4.9(a).
Cuando el material no se encuentra magnetizado, las
moléculas se encuentran desalineadas, como se muestra en
la figura 4.9(b).
N S N S N S N S
N S N SN S
N S N S N S
N S
N S
(a)
S N
S N
S N
NS
SNN
N
N
S
NS
S
N
S N
S
N
S S N S
N
S
S SN
N
SN N
SSN
N
S
(b)
Figura 4.9 Alineamiento molecular magnética de un
material.
Un hecho que soporta esta teoría, aparte de que un
imán al seccionarse presente ambos polos, cuando un imán
se somete a altas temperaturas o excesiva vibración, decaen
sus propiedades magnéticas. Esto ocurre debido a que las
moléculas pierden su orientación magnética homogénea y
quedan desalineadas.
Cuando un magneto sufre de agitación molecular y se des-ordenan sus moléculas, pier-de su polaridad magnética al cancelarse entre sí los cam-pos individuales molecula-res.
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Teoría del Dominio.
Otra teoría ampliamente aceptada es la Teoría
Electrónica del Magnetismo o Teoría del Dominio. Los
electrones de un átomo orbitan alrededor de su núcleo al
mismo tiempo que lo hacen sobre su eje, tal como la tierra
gira sobre su eje y orbita alrededor del sol. De acuerdo a
esta teoría, el giro de los electrones produce un campo
magnético cuya dirección depende del sentido de giro de los
electrones.
En muchos átomos, hay un número igual de
electrones girando sobre sus ejes en direcciones opuestas
por lo que son magnéticamente neutrales. Esto se debe a
que los campos magnéticos creados por los electrones son
iguales y opuestos, y se cancelan entre sí.
En átomos de materiales magnéticos, hay más
electrones girando en una dirección que en otra. Estos
átomos producen individualmente campos magnéticos de
baja magnitud. Sin embargo, cuando muchos átomos
magnetizados se encuentran agrupados y con sus campos
magnéticos orientados de igual manera, producen lo que se
conoce como un dominio. Cada dominio aporta un campo
magnético en una dirección específica.
En materiales no magnetizados, el arreglo de estos
dominios es tal que sus efectos magnéticos se neutralizan.
A pesar de esto, cuando tales materiales son colocados bajo
la influencia de otra fuerza magnética, el arreglo de estos
grupos se produce de tal forma que sus polos norte quedan
en una dirección y sus polos sur quedan en dirección
opuesta, constituyendo así un magneto.
En la teoría del Dominio, el giro de los electrones que orbitan alrededor del núcleo del átomo produce un campo magnético con una polaridad dependiente del sentido de giro.
En un material magnético existen más electrones giran-do en un sentido que en otro por lo que se manifiesta como un campo magnético resultante.
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Líneas de fuerza de campo magnético.
La forma más simple de imán conocida es la de un
imán de barra. Si se coloca sobre un imán de este tipo una
placa de vidrio y se dispersan limaduras de hierro sobre el
vidrio, las limaduras se dispondrán por sí mismas formando
un patrón tal como se indica en la figura 4.10.
S N
Figura 4.10 Limaduras de hierro sobre una barra
magnética.
Estas líneas desplegadas en el patrón, son las
llamadas líneas de fuerza del campo magnético. Cada línea
de fuerza forma un lazo independiente y no se cruzan entre
sí.
Si se coloca el polo norte de una aguja imantada a lo
largo de una de estas líneas, se observa que apunta siempre
hacia un extremo del imán, que es el polo sur y por lo tanto
en sentido contrario al otro extremo del imán, que es el polo
norte, demostrando que las líneas salen de una región
próxima a uno de los extremos y van hacia una región
próxima al otro extremo. La región por la cual salen las
líneas se denomina polo norte y a la región por donde entran
se le llama polo sur.
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Trayectoria de las líneas magnéticas.
Un plano esquemático del campo de un imán nos da
una mejor idea de las líneas de fuerza. En la figura 4.11 se
muestra un esquema de este tipo. Note que las líneas que
salen del polo norte, van alrededor del imán hacia el polo
sur, entran por el imán y se dirigen a través de él hacia el
polo norte. Cada línea de fuerza es una curva cerrada.
El campo magnético se considera siempre como un
flujo o corriente de magnetismo que circula en un circuito:
sale del polo norte circulando hacia el polo sur, entra en el
polo sur y a través del imán vuelve al polo norte para formar
el lazo cerrado.
Las líneas de flujo que atraviesan un circuito
magnético no son reales, como en una corriente eléctrica
que circula por un circuito eléctrico, pero pueden estudiarse
en forma similar. Las líneas de fuerza son una forma
conveniente para representar la dirección y la magnitud de
una fuerza en el espacio. Mientras más densas se
representen, mayor es la fuerza magnética que se ejerce.
S N
Figura 4.11 Diagrama del campo magnético de un
magneto en forma de barra.
Las líneas de flujo magnético salen del polo norte de un imán y entran por el polo sur.
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Las líneas cruzan a través del imán y forman un
circuito cerrado partiendo del polo norte y terminando en el
polo sur. Esto demuestra de la misma forma la Ley de
Weber, esto es, cortando el imán en varios trozos, cada trozo
constituiría un imán por sí mismo con su polo norte y su polo
sur como se muestra en la figura 4.12. Así puede verse que
las líneas no nacen de un polo, sino que pasan a través de
éste dentro de un lazo cerrado.
S N S N S N
Figura 4.12 Cuando se fragmenta un imán, cada una de
sus partes constituye un nuevo imán.
Naturaleza de las líneas de fuerza.
La dirección de las fuerzas y las relaciones de un
campo magnético se pueden representar mediante líneas de
fuerza. Una mayor intensidad de campo se representa por
una mayor densidad de líneas; mientras sea mayor el
número de líneas, mayor será la intensidad del campo.
La intensidad del campo generalmente se representa por la cantidad de líneas de flujo magnético.
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Las características de las líneas de campo magnético
pueden describirse de la siguiente forma:
1. Las líneas de fuerza magnética son siempre continuas y
forman un lazo cerrado.
2. Las líneas de fuerza magnética nunca se cruzan entre sí.
3. Las líneas de fuerza magnética que viajan en la misma
dirección se repelen entre sí.
4. Las líneas de fuerza magnética pasan a través de todos
los materiales sean o no magnéticos.
Leyes de atracción y repulsión.
Si una aguja imantada se suspende cerca de una
barra magnética se observa lo que se conoce como las
primeras 2 leyes de atracción y repulsión magnética.
1. Polos magnéticos iguales se repelen.
2. Polos magnéticos diferentes se atraen.
Los patrones de flujo entre polos opuestos adyacentes
de imanes, como indican las líneas, se muestran en la figura
4.13. Las líneas que salen de B entran por el polo sur de A,
atraviesan el cuerpo de A y emergen por su polo norte
volviendo al polo sur de B. La tensión en las líneas que
pasan por los dos imanes tiende a atraerlos.
Los polos de un imán se atraen si tienen diferente po-laridad y se repelen si son de la misma polaridad.
21
N S
A B
N S
Figura 4.13 Dos barras magnéticas con polos contrarios
próximos entre sí.
Los patrones para polos iguales adyacentes se
muestran en la figura 4.14. Las líneas no se cruzan en
ningún punto y se rechazan entre sí. Las líneas salen de los
polos norte dando la vuelta hacia los polos sur y la presión
lateral tiende a empujar a los imanes (separándolos).
S N N S
Figura 4.14 Dos barras magnéticas con polos iguales
próximos entre sí.
22
La tercera ley de atracción y repulsión magnética
establece que la fuerza de atracción o repulsión que existe
entre 2 polos magnéticos se disminuye fuertemente al
separar los polos. Esto es que la fuerza de atracción o
repulsión varía directamente con el producto de las fuerzas
de los polos e inversamente con el cuadrado de la distancia
entre ellos.
Por ejemplo, si la distancia entre 2 polos norte se
incrementa de 2 a 4 pies, la fuerza de repulsión entre ellos
se disminuye hasta un cuarto de su valor original.
23
4.4 ELECTROMAGNETISMO.
La electricidad y el magnetismo están estrechamente
relacionados. Una corriente eléctrica (el movimiento de los
electrones a lo largo de un conductor) produce un campo
magnético siendo la fuerza del mismo proporcional a la
magnitud de la corriente.
El campo magnético producido en un conductor a
través del cual fluye una corriente se muestra en la figura
4.15. Nótese que el sentido de corriente mostrado en la
figura, corresponde al flujo electrónico de corriente y no a su
sentido convencional.
BATERÍA
+
-
CARGA
Figura 4.15 Campo magnético producido por el flujo de
una corriente eléctrica en un conductor.
El efecto magnético de la corriente fluyendo en un
conductor puede ser demostrado colocando un conductor y
un trozo de cartón como se muestra en la figura 4.15.
Usando una batería se hace fluir una corriente a través del
conductor mientras se esparce polvo metálico sobre el
cartón. El polvo forma un patrón similar al de la figura,
mostrando la forma de las líneas de fuerza del campo
magnético. Un examen del patrón muestra que el campo es
circular y que el conductor está en su centro.
24
Otro método utilizado para ver la reacción magnética
ante el flujo de corriente, es colocando una aguja imantada
en varias posiciones del cartón como se muestra en la figura
4.16. Las flexiones que se originan demuestran que existe un
campo magnético de forma circular alrededor del conductor.
BATERÍA
+
-AGUJA
IMANTADA
CARGA
Figura 4.16 Espectro del campo magnético producido
por el flujo de una corriente eléctrica en un conductor.
Campo magnético inducido.
Si un conductor, por el que circula una corriente
eléctrica, produce una región en la que actúan fuerzas de
origen magnético como se muestra en la figura 4.17, se dice
que la corriente eléctrica induce un campo magnético
alrededor del conductor.
En la figura 4.17 se muestra un conductor a través del
cual fluye una corriente. La dirección del campo magnético
se toma como la dirección indicada por el norte (N) de la
aguja imantada como en la figura 4.17 (b).
Una corriente fluyendo por un conductor induce un campo magnético.
25
.
.
.Línea radial
Alambre
Direccióndel campo
N
S
N
N
S
S
N S
Alambre
Líneas de campo magnético Agujas
imantadas
(a) (b)
Figura 4.17 Dirección del campo magnético alrededor de
un alambre por el cual fluye corriente.
Una manera para recordar fácilmente la relación entre
la dirección del campo magnético y la dirección del flujo
electrónico de corriente es mediante la regla de la mano
izquierda. Con el pulgar apuntando en la dirección del flujo
electrónico, como se muestra en la figura 4.18, los dedos de
la mano rodeando al conductor indican la dirección del
campo magnético o líneas de flujo magnético.
Líneas de campo o de flujo
I
Figura 4.18 Regla de la mano izquierda.
26
Recordando que el sentido convencional de la
corriente es de positivo a negativo y el flujo electrónico de
corriente de negativo a positivo, para la regla de la mano
izquierda se considera el flujo electrónico de corriente y no
su sentido convencional.
Fuerzas magnéticas.
Cuando dos fuerzas magnéticas se encuentran dentro
de su alcance magnético reaccionan de acuerdo con las
leyes de atracción y repulsión. La figura 4.19 muestra una
espira de un conductor a través del cual fluye una corriente.
La dirección de la corriente se indica por las flechas sobre la
espira y las flechas circulares representan las líneas de
fuerza magnética.
Figura 4.19 Corriente fluyendo a través de una espira.
La figura 4.20 muestra una vista del final de la espira.
El punto indica que la corriente sale del conductor (hacia
afuera de la página) y la X indica que la corriente fluye hacia
adentro. Nótese que los dos campos magnéticos están
dentro del alcance magnético el uno del otro y de acuerdo a
la ley de repulsión tienden a separar la espira.
27
x
Fuerza magnética
Figura 4.20 Corriente fluyendo en direcciones opuestas
en 2 conductores.
Si dos conductores, a través de los cuales fluye una
corriente en la misma dirección, son colocados cerca uno del
otro como se muestra en la figura 4.21, las fuerzas
magnéticas tienden a acercarlos.
Fuerza magnética
Figura 4.21 Corriente fluyendo en la misma dirección en
2 conductores.
Si varias espiras de un conductor son colocadas con
cierta separación entre ellas en forma de bobina, la mayoría
de las líneas de fuerza se "enrollan" a través de la bobina
como se muestra en la figura 4.22.
28
N S
Figura 4.22 Bobina con espiras separadas.
La figura 4.23 muestra que si estas espiras son
devanadas (concentradas) muy cerca la una de la otra,
prácticamente todas las líneas de fuerza se "enrollan"
alrededor de la bobina. Esto produce un campo magnético
al igual que un imán de barra.
N S
Figura 4.23 Bobina con espiras concentradas.
Regla de la mano izquierda para bobinas.
La polaridad del campo magnético producido en una
bobina puede ser determinado sujetando la bobina con la
mano izquierda y con los dedos apuntando en la dirección
del flujo electrónico. De este modo el dedo pulgar apunta en
la dirección de las líneas de fuerza, hacia el polo norte del
imán, como se muestra en la figura 4.24.
29
N S
Figura 4.24 Regla de la Mano Izquierda para bobinas.
Para hacer efectiva la regla se debe:
1. Sujetar la bobina con la mano izquierda de manera que
los dedos apunten en la dirección del flujo electrónico a
través de las espiras. En esta forma el dedo pulgar
apunta en la dirección del flujo magnético y hacia el polo
norte.
2. Tomar la bobina con la mano izquierda de manera que el
pulgar apunte hacia el polo norte del imán. Así, los dedos
apuntan en la dirección del flujo electrónico a través de
las espiras.
Electroimanes.
Una bobina, como fue descrita previamente, es
también conocida como un electroimán o electromagneto y
tiene las mismas propiedades que un imán de barra. La
ventaja de un electroimán es que la fuerza magnética puede
ser activada y desactivada mediante la corriente. Por esta
razón, son clasificados como magnetos temporales.
Un electroimán está cons-truido de manera que al hacer fluir corriente por sus deva-nados se produce un campo magnético.
30
Otra ventaja de un electroimán es la capacidad para
variar la intensidad de su campo. Un incremento en la
corriente a través de la bobina ocasiona un incremento en la
intensidad del campo magnético. Al disminuir la corriente
decrece la intensidad del campo magnético.
Otra forma de incrementar la intensidad del campo de
un electroimán es insertando un núcleo de hierro en la
bobina. El hierro tiene mejores cualidades y es por esto que
se incrementa la intensidad del campo.
En la construcción de un electroimán hay algunos
factores que se deben considerar:
1. El número de espiras que conforman la bobina.
2. La magnitud de la corriente que puede circular a través
de la bobina sin que se presente una condición de
sobrecalentamiento.
3. La habilidad del núcleo para conducir líneas de fuerza
magnética.
Los dos primeros involucran al conductor utilizado
para formar la bobina. El tipo de material y calibre del
conductor determina la máxima corriente que puede fluir a
través del mismo. La mayoría de los conductores para
electroimanes son hechos de cobre suave debido a que tiene
relativamente baja resistencia y se maneja fácilmente para
formar una bobina. Este tipo de conductor es llamado
alambre magneto.
31
El núcleo de un electroimán es generalmente hecho
de hierro suave o aleaciones de hierro. El hierro es un buen
conductor de magnetismo y pierde sus propiedades
magnéticas casi en forma instantánea cuando es removido
de la influencia magnética lo cual es una característica
importante en electroimanes.
Un electroimán es algunas veces llamado solenoide.
Aunque los nombres son a veces usados indistintamente, el
término electroimán usualmente se refiere a bobinas con
núcleos estacionarios, en tanto que el término solenoide por
lo general se refiere a bobinas con núcleo móvil.
La fuerza de un electroimán depende de su habilidad
para conducir magnetismo. La cantidad de flujo en un
circuito magnético es determinado por el número de líneas
de fuerza y es medido en maxwells (mx). Un maxwell es
igual a una línea de fuerza magnética.
Inducción electromagnética y fuerza sobre un conductor.
Como se mencionó anteriormente, el flujo de corriente
eléctrica produce un campo magnético. Otra relación que
existe entre la electricidad y el magnetismo es llamada
inducción electromagnética.
La inducción electromagnética se realiza cuando se
tiene un movimiento relativo entre un conductor y un campo
magnético. Este movimiento se puede llevar a cabo ya sea
si un conductor se mueve a través de un campo magnético
cortando líneas de fuerza, o cuando un campo magnético se
mueve a través de un conductor.
La inducción electromagnéti-ca se lleva a cabo cuando se tiene un movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético.
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Cuando un conductor corta líneas de fuerza
magnética, se induce un voltaje en el conductor. Este voltaje
es llamado fuerza electromotriz (fem) debido a que origina
el flujo de corriente en un circuito. Este es el principio de
operación de un generador. En forma similar, cuando a
través de un conductor dentro de un campo magnético fluye
una corriente, se produce una fuerza sobre él. Este es el
principio de operación de un motor de CD.
Cuando se utiliza esta relación entre electricidad y
magnetismo no existe diferencia entre si el conductor se
mueve a través del campo o el campo se mueve a través del
conductor. Es la interacción entre ambos lo que desarrolla la
fuerza electromotriz (fem).
Posteriormente, se detallarán los temas de
generadores y motores de corriente directa. Por ahora, se
analizarán estos puntos en forma básica.
Si se coloca un conductor en el campo uniforme de un
imán permanente, como se muestra en la figura 4.25(a), se
produce una fuerza sobre el conductor cuando fluye corriente
a través de él. Esta fuerza es básica para la operación de
motores eléctricos y se denomina fuerza motora o motriz. En
el caso de los generadores se presenta esta situación de
manera inversa, esto es, un conductor cortando líneas de
campo hace que se induzca un voltaje en él.
La corriente hacia adentro del conductor produce un
campo magnético en el sentido del movimiento de las
manecillas del reloj, como se muestra en la figura 4.25(b),
reforzando el campo del imán sobre el conductor y
debilitándolo bajo éste, como se presenta en la figura
4.25(c).
Si un conductor corta líneas de fuerza magnética se indu-ce un voltaje que es llamado fuerza electromotriz (fem).
Un conductor que lleva co-rriente experimenta una fuer-za sobre él cuando se coloca en el campo de un imán.
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L
Aguja imantada
Líneas decampomagnético
Batería
Interruptor
EspiraPiezapolar
+-
Imán permanente
(a)
I
I
Alambre enel campomagnético
Piezapolar
F
B
I
B
Campo magnéticodel alambre
I
B
( b )( c )
F
Figura 4.25 (a) Cuando se cierra el interruptor y fluye
una corriente por la espira, existe una fuerza (hacia
abajo) que actúa sobre el alambre en el campo
magnético (entre los polos). Esta es la interacción
básica entre el campo y la corriente para la operación de
motores eléctricos. Nótese que la aguja de la brújula
apunta en la dirección del campo magnético. (b) La
corriente del alambre produce un campo en la dirección
del movimiento de las manecillas del reloj reforzando el
campo magnético por arriba del alambre y debilitándolo
por debajo del mismo resultando una fuerza hacia abajo
como se muestra en (c).
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Fuerza y Momento sobre una Espira .
En la figura 4.26 se muestra una espira simple en un
campo magnético por la cual circula corriente. La sección
transversal de la bobina se muestra en la figura 4.27.
N S
I
AI
B
Figura 4.26 Bobina situada entre los polos de un imán.
La corriente circula hacia adentro en A y hacia afuera
en B y el flujo se refuerza arriba de A y abajo de B. Esto es,
hay una fuerza empujando hacia abajo en A y otra hacia
arriba en B que tienden a hacer girar la espira en el sentido
contrario de las manecillas del reloj.
Esta tendencia a girar se mide por las fuerzas que
actúan sobre cada conductor multiplicadas por las distancias
de cada conductor hacia el punto alrededor del cual tiende a
girar. Para este caso, gira alrededor del centro de la espira.
+A
BSN
Figura 4.27 La deformación del campo magnético
produce en la bobina la tendencia a girar.
Una espira con corriente dentro de un campo magné-tico gira por las fuerzas que actúan sobre cada conduc-tor.
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Los efectos del magnetismo son además parte
fundamental del funcionamiento de gran parte de los equipos
utilizados en la producción, transmisión y manejo de la
energía eléctrica, así como también en telecomunicaciones.
Aunque los imanes no se usan con frecuencia en la
construcción de aparatos, los materiales que adquieren las
propiedades de los imanes son fundamentales para la
construcción de las máquinas eléctricas y otros dispositivos.
A las fuerzas que actúan sobre una espira en un campo se les llama MOMENTO DE GIRO.
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PREGUNTAS DE REPASO.
1.- ¿Qué es un campo eléctrico?
2.- ¿Qué relación tienen la fuerza y la carga con el campo eléctrico?
3.- ¿Cómo se representan las líneas de fuerza de un campo eléctrico?
4.- ¿Qué establece el teorema de Gauss?
5.- ¿Qué es rigidez dieléctrica?
6.- ¿Cómo se define un imán o magneto?
7.- ¿Qué es un campo magnético?
8.- ¿Cómo se representa un campo magnético?
9.- ¿Cuáles son los diferentes tipos de imanes?
10.- Redacte una breve explicación de cada tipo de imán.
11.- ¿En qué consiste el blindaje?
12.- ¿Qué dice la teoría de Weber?
13.- ¿Cuál es la teoría del dominio?
14.- ¿Qué es electromagnetismo?
15.- Redacte una breve explicación de la regla de la mano izquierda.
