FUNDAMENTOS DE ELECTROMAGNETISMO.

Ya has adquirido los conocimientos necesarios que te permiten adentrarte en un nuevo tema de suma importancia, que te sirve de base para la interpretación y la comprensión de la transmisión de audio por el espacio aéreo.
Tomando como referencia la corriente eléctrica, el campo eléctrico y el campo magnético, estudiaremos el electromagnetismo, para que al final de esta unidad 5 veamos la relación entre electricidad y el magnetismo.

Campo magnético alrededor de un conductor

En 1820, un físico danés, Christian Oersted, observó como una aguja imantada suspendida en el aire cambiaba de posición cuando se le acercaba un conductor eléctrico por el cual circulaba corriente eléctrica. El efecto era muy particular con respecto a lo que se conocía. No era ni una atracción ni una repulsión, sino una desviación de la aguja hacia un lado; una deflexión.

Se ha demostrado que al variar el alambre electrificado cerca a la brújula, y en diversas direcciones y posiciones, se consigue que la aguja de la brújula varíe su posición original. De la misma forma si la intensidad de la corriente eléctrica aumenta, también aumentará la desviación de la aguja.

Si analizamos el comportamiento de la aguja mientras variamos el conductor eléctrico alrededor de la brújula, observamos que la aguja de la misma se reflexiona hacia la izquierda. Esto indica que alrededor del conductor se genera un campo cuyas líneas de fuerza son circunferencias concéntricas cerradas.

Si sobre una hoja de papel se esparcen limaduras de acero y se la atraviesa con un conductor recto perpendicular que se conecta a un generador de corriente continua, vas a observar que las limaduras se disponen en círculos concéntricos. Fenómeno que ya has conocido anteriormente.

La experiencia demuestra en forma evidente que: alrededor de un conductor recto recorrido por una corriente, se crea un campo magnético circular.

La dirección de las fuerzas concéntricas se suele determinar con la regla de la mano. Tomando como referencia el sentido convencional, de positivo a negativo, se coge el conductor con la mano derecha; el pulgar indica la dirección de la corriente convencional, y los dedos el sentido del campo eléctrico. Utilizaremos otros métodos más científicos para designar el sentido, pero hay que reconocer que este método es práctico.

Solenoide

Si se dobla el conductor hasta doblar una espira, las líneas circulares del campo seguirán en la misma posición con respecto al punto del conductor, adoptando la posición de la siguiente figura.

Si se dispone de varias espiras los campos que se generan concéntricos, chocan en su dirección y sin embargo coinciden y las líneas de fuerzas se refuerzan creando un campo electromagnético mayor. Así pues el resultado es igualable al de un campo magnético de un imán, pero con la diferencia que éste imán lo crea un conductor eléctrico.

La determinación de qué extremos corresponde a los polos norte y sur, se realiza con la ayuda de la mano derecha para el caso de la corriente con sentido convencional. Se abraza con la mano derecha la bobina, haciendo que coincidan los dedos con el sentido de la corriente, y el pulgar indica el polo norte.

Con el solenoide se consigue aumentar el débil campo magnético de un conductor rectilíneo; y al campo magnético que se genera en dicho solenoide se le llama campo electromagnético. La intensidad de este campo en el interior de la bobina depende de la intensidad de la corriente y del número de vueltas. A este parámetro se le denomina Amperiovuelta, es decir los amperios de la intensidad de corriente multiplicados por el número de vueltas.

Influencia del núcleo en una bobina

Si se introduce parcialmente en una bobina o solenoide un núcleo de hierro dulce, en el instante en que se hace circular corriente por la bobina, la misma va a ser atraída bruscamente hacia su interior. Este fenómeno nos indica que las líneas magnéticas en el interior de la bobina, han encontrado en el hierro menos resistencia física que a través del aire, concentrando las líneas en él. La bobina a atraído al hierro a la posición de equilibrio y al mismo tiempo ha concentrado la líneas de fuerza magnéticas, obteniéndose un efecto similar a multiplicar la intensidad del campo magnético resultante, como si se hubiera aumentado el número de vueltas de la bobina.

Este efecto es la base de la antena de Ferrita en la radio de transistores, con la cual se captan las ondas de radio, que no son otras cosas que ondas electromagnéticas. También es con lo que se obtienen los electroimanes, el funcionamiento de los motores, instrumentos de medición, etc. En electrónica se utilizan materiales especiales para los núcleos de las bobinas, que son aleaciones con tratamiento térmicos que aumentan su permeabilidad.

Acción de un solenoide sobre un imán.

Ya conoces la ley para el magnetismo, que es válida para el electromagnetismo y dice que polos de mismo signo se repelen, y que polos de signo contrario se atraen, y la fuerza con la que lo hacen es mayor, cuanto más próximos están y a medida que se alejan se va debilitando.
Todo esto vale para el caso que se enfrente el polo de un imán al polo de un solenoide, el polo norte del mismo rechaza al polo norte de la aguja y atrae al polo sur de la misma. Lo mismo sucede con el polo sur del solenoide, atrae al polo norte de la aguja, y rechaza al polo sur; comprobación de que un solenoide actúa sobre un imán como si se hubiera actuado con un imán.

Instrumentos de medida

Hasta ahora solamente hemos estudiado el comportamiento de la corriente eléctrica; la FEM., que provoca su desplazamiento, la intensidad de corriente, la oposición que encuentra en su desplazamiento por un circuito, la potencia eléctrica, campo eléctrico, campo magnético y electromagnético.

Pero no cabe duda de que sea necesario poder establecer la magnitud de los voltios que hay en un circuito, así como la intensidad o los ohmios. Para ello utilizamos ciertos instrumentos capaces de hacer la medición, que te vamos a describir sin entrar en grandes detalles.
Los primeros instrumentos utilizados para medir las magnitudes básicas eléctricas eran los llamados Galvanómetros.

Galvanómetro

El galvanómetro de bobina móvil, es un medidor básico que se puede convertir para medir intensidades, tensiones y resistencias.

Su funcionamiento depende de las fuerzas magnéticas producidas por la interacción del campo fijo de los imanes, con el campo magnético provocado por la corriente a medir, que circula por el electroimán. Cuando por la bobina 'T' circula una corriente de una tensión, por ejemplo, produce un campo electromagnético que interactúa con el campo magnético del imán fijo. El extremo del eje de la bobina tiene una aguja que se desplaza según varíe el campo electromagnético. Además existe una escala numerada que le da un valor al desplazamiento de tal aguja.

Este es el principio del galvanómetro, que reacciona al paso de la corriente por un electroimán que gira.

El imán fijo del mismo es del tipo de herradura, de un material especial capaz de generar un campo magnético muy intenso para mayor sensibilidad. Además se ha reducido la reluctancia (resistencia magnética) al reducir el espacio entre polos y poner piezas polares en los polos que refuercen el flujo magnético.
Para que la aguja vuelva a la posición inicial, se ha colocado un resorte en forma de muelle haciendo que la aguja no gire más de 180º en ambos extremos del electroimán.
Te puedes imaginar que esta aguja es muy liviana, y no puede circular mucha corriente por el conductor para no vencer la fuerza de los resortes. Por lo que hay un valor máximo a introducir.

El circuito magnético

El magnetismo, cuyo estudio comenzante en la lección 4, se halla tan ligado a la electricidad, que no se puede avanzar en el estudio de uno sin el otro. El conjunto de todas las relaciones que existen entre la electricidad y el magnetismo constituye el electromagnetismo, que has empezado a estudiar en la lección teórica.
A través del electromagnetismo se adquiere el conocimiento de la inductancia, magnitud de gran importancia en los circuitos electrónicos y eléctricos.

Con anterioridad al año 1820, se creía que el magnetismo no tenía nada que ver con la electricidad, pues no había medios para probar una relación entre ambos. A pesar de todo, el físico y químico danés, Cristian Oersted estaba convencido de que existía algún lazo de unión entre los 2 fenómenos y, como en otras tantas veces en lo largo de la historia, fue la casualidad la que dio pie a uno de los descubrimientos más espectaculares y de mayor trascendencia dentro de la electricidad. Oersted había dedicado muchas horas de trabajo tratando de hallar la relación entre los 2 fenómenos a lo largo de un conductor, tiempo perdido por la creencia de que el campo electromagnético creado por la corriente debía de manifestarse en la misma dirección y sentido de la corriente eléctrica del conductor. Una vez y otra, preparaba una aguja imantada en un recipiente mecánico para que la aguja puede girar libremente sin la acción humana (brújula), y la situaba de forma que formase un ángulo recto con el conductor, por el que luego hacía pasar una corriente eléctrica, siempre con la creencia de que la aguja debía desviarse hasta colocarse en posición paralela respecto al conductor.

Por más que repitiera la prueba, y por más que intensificaba la corriente, el resultado era el mismo, la aguja no se movía; no abandonaba su posición inicial.
Un buen día, Oersted, se hallaba dando clases a sus alumnos cuando inadvertidamente situó la aguja magnética paralela al conductor. Pudo ver entonces, por primera vez en la historia y con el asombro que es de suponer, como la aguja se desviaba y dejaba de apuntar al norte tan pronto como circulaba corriente. Este hecho proporcionó la paternidad del electromagnetismo.

Los trabajos de Oersted, llamaron la atención de Michael Faraday, quien en 1831 decidió dedicarse a la experimentación electromagnética, tratando de transferir energía entre bobinas que no tenían ninguna conexión física. Logró inducir una diferencia de tensión entre los devanados sirviéndose como vehículo el campo magnético creado en la primera bobina. 2 meses después, Faraday, creaba el primer generador electromagnético de la historia.

Semejanza entre circuito eléctrico y magnético

Debido a la similitud que existe entre los circuitos magnéticos y eléctricos, vas a estudiar dicha similitud para que puedas comprender perfectamente una serie de fenómenos de ambas naturalezas.
En la teoría, has estudiado que la intensidad de un campo electromagnético en el interior de una bobina, está relacionada con la intensidad de corriente que circula por ella y por el número de vueltas de la bobina, parámetro que se llama Amperios-vueltas.
Asimismo, si se introduce un núcleo ferromagnético en el interior de la bobina aumenta el flujo tantas veces como el valor de la permeabilidad de dicho material, ya que se concentra el número de líneas de fuerzas.

En la figura siguiente, puedes observar como las líneas de fuerzas se concentran en el núcleo ferro magnético.

El efecto es similar al de la presión de un líquido que aumenta en un estrechamiento de la tubería por la que circula. Las líneas magnéticas del solenoide circulan por el exterior del núcleo, saliendo del mismo desde el polo norte y regresando a través del aire, al polo sur; y también circulan a través del núcleo ferro magnético por su interior, desde el polo sur al polo norte.
Por lo tanto las líneas magnéticas recorren 2 caminos diferenciados en una bobina o solenoide: el aire y el núcleo.

A las líneas magnéticas que circulan por el aire se les llama líneas de fuerza, y las que lo hacen por el material ferromagnético, se las denomina líneas de inducción.

Se diferencian unas de otras, aparte del hecho de que una circule por el aire y la otra por el núcleo, en que las líneas de inducción representan una concentración de líneas de fuerzas por centímetro cuadrado muy superior a lo que representan las líneas de fuerzas que circula por el aire.

Las líneas de fuerza se representan por 'H' que corresponde al valor de la fuerza del campo magnetizante o el número de líneas por centímetro cuadrado en el aire y se llaman Gauss (aparte de líneas de fuerza).
Las líneas de inducción se las conoce como inducción magnética o densidad de flujo. Se representa por el símbolo beta (β) que indica la cantidad de Gauss por centímetro cuadrado.

El comportamiento de las líneas magnéticas en el aire y en la sustancia ferromagnética, nos indica que ambos elementos presentan una resistencia aparente al desplazamiento de las líneas magnéticas. Dicha resistencia se llama reluctancia.
Se representa igual que la resistividad eléctrica (ρ), y en magnetismo se llama permeabilidad, y es la relación entre la inducción magnética y las líneas de fuerza. Se representa con la letra griega (µ).

De lo expuesto deducimos que:

La permeabilidad magnética es igual a número de líneas de inducción de una bobina, dividido por el número de líneas de fuerzas

Para averiguar que material es ferromagnético, diamagnético o paramagnético, aplica las formulas siguientes al resultado anterior: Si β es mayor a H, se trata de una sustancia ferromagnético, ya que su permeabilidad es superior a 1.
Si β es igual a H, se puede considerar paramagnéticas.
Si β es menor que H, se trata de una sustancia diamagnética.

En la imagen anterior, observas una bobina enrollada a una núcleo ferromagnético. En este caso las líneas magnéticas están formadas por líneas de fuerza y líneas de inducción. Vamos a analizar este circuito magnético:

Cuando se cierra el interruptor del circuito eléctrico (bobina), circula una corriente convencional de positivo a negativo de la batería. Esto genera un campo electromagnético en la bobina eléctrica del circuito cuyas líneas magnéticas se desplazan en parte por el núcleo ferromagnético, y la otra parte por el aire de norte a sur.
A este campo magnético creado se le denomina campo electromagnético, porque es creado por una corriente eléctrica.

Desde el punto total magnético, al circuito se le denomina circuito magnético. La fuerza electromotriz que genera la batería, produce la energía necesaria para crear una fuerza magneto motriz (FMM).

Dicha FMM es la fuerza que hace que se produzca un campo magnético.
La cantidad de líneas magnéticas (líneas de fuerza y de inducción), se denomina flujo y se representa con la letra griega Φ el cual debe ser del número de líneas de inducción β multiplicado por los centímetros cuadrados de sección del núcleo; o el número total de líneas de fuerzas H, por el centímetros cuadrados de sección de entrehierro o del campo magnético.

Como es lógico, ambos productos han de ser iguales, ya que las líneas de inducción son las mismas que las líneas de fuerza, por tanto Φ es similar a la corriente que circula por el interior de la bobina.

El aire ofrece una oposición al flujo magnético llamado reluctancia. Ésta es similar a la resistencia en el circuito eléctrico. pues bien, ahora veremos las equivalencias entre circuitos eléctricos y magnéticos destacando los principales parámetros.

Fuerza magnetizante.

Es el número de líneas de fuerza por centímetro cuadrado de sección. Se representa por H (Gauss o líneas de fuerza por cm²).

Fuerza magneto motriz

Se representa en Gilberts e indica la totalidad de la fuerza magnetizante generada en un solenoide, independiente de que tenga núcleo o no (equivale a la FEM).

Flujo Φ

Corresponde a la totalidad de Gauss que atraviesan la totalidad de la superficie y se expresa en Maxwells.

Fuerza magneto motriz

Es el equivalente a la caída de tensión en el circuito eléctrico y es el Gilbert por centímetro de longitud que se llama Oersted.

Reluctancia

Equivale a la resistencia eléctrica y se mide en Rels.

Acabas de estudiar la semejanza entre circuito eléctrico y magnético, pero a pesar de que existen distintas características, al circuito magnético se le puede aplicar la ley de Ohm. En este caso cambia dicha ley para llamarse:

Ley de Rowland

La expresión matemática de la ley de Rowland es:

Conviene aclarar algunas unidades que intervienen en estas ecuaciones. La fuerza magneto motriz FMM, comparable a la fuerza electromotriz, tiene como unidad el amperio-vuelta, pero prácticamente se utiliza el Gilbert, que es la fuerza necesaria para establecer un flujo de 1 Maxwell a través de un circuito que presenta una reluctancia de 1 rel.
La relación que existe entre el amperio-vuelta y el Gilbert, queda determinado por 4π÷10, que es aproximadamente 1,257, de manera que la FMM, de un circuito electromagnético excitado por un solenoide, viene dada en Gilberts por la formula:

Siendo I, la intensidad de corriente que circula por el solenoide o bobina.
Siendo N, el número de vueltas de la bobina (número de vueltas).
Este valor no es alterado porque el solenoide lleve o no núcleo ferromagnético, lo que se va a alterar en caso de que lleve o no, es el flujo.

Debido a las características particulares de los circuitos magnéticos, es común trabajar con la fuerza de imantación creada por la fuerza electromotriz, recurriendo entonces a la expresión Gilberts por centímetro de longitud del circuito u Oersteds, de lo que, como ya se ha señalado, correspondería a la caída de tensión por centímetro de longitud del circuito conductor, suponiendo que la resistencia fuese muy elevada.

¿Recuerdas que la caída de tensión a lo largo de un conductor es igual a la tensión aplicada al mismo? En el circuito magnético se obtiene el equivalente, cuya expresión es:

Decir que H es igual a la FMM dividida por la longitud del circuito magnético en centímetros.
Conocido el valor de H, se puede averiguar el número de líneas de inducción por centímetro de sección que presentará cualquier núcleo que se introduzca en un solenoide y cuya permeabilidad se conozca, puesto que:

Si te interesa averiguar la totalidad del flujo magnético que recorrerá el circuito, deberá multiplicarse β por la sección total del núcleo en centímetros cuadrados, con lo que se obtiene:

Con todo este pequeño desarrollo puedes llegar a dar con el valor de la reluctancia:

Bueno, hasta aquí has entrado en materia con el tema del magnetismo. No creas que el magnetismo es aburrido, ni mucho menos, lo que es aburrido es su estudio. Pero si lo entiendes y llegas a dominar la teoría podrás avanzar en la práctica que veremos más adelante: ESTUDIO DE UN CAMPO ELECTROMAGNÉTICO. Ahora vete a la sección de prácticas.