Un electroimán es un dispositivo que produce magnetismo a partir de la corriente eléctrica. Si la corriente eléctrica cesa, entonces también desaparece el campo magnético.
En 1820 se descubrió que una corriente eléctrica produce en su entorno un campo magnético.
Cuatro años después se inventó y construyó el primer electro-imán.
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| Electroimán para recolectar chatarra. (pixabay) |
El primer electroimán consistió en una herradura de hierro pintada con barniz aislante y sobre
el mismo se arrollaron dieciocho vueltas de alambre de cobre sin aislante eléctrico.
Los electroimanes modernos pueden tener variadas formas dependiendo del uso final que se
les vaya a dar y es el cable el que va aislado con barniz y no el núcleo de hierro. La forma
más común del núcleo de hierro es la cilíndrica, sobre la cual se enrolla el alambre de cobre
aislado.
Se puede hacer un electroimán sólo con el embobinado y produce campo magnético, pero el
núcleo de hierro multiplica la intensidad del campo.
Cuando la corriente eléctrica pasa por el bobinado de un electroimán el núcleo de hierro se
magnetiza, es decir que los momentos magnéticos intrínsecos del material se alinean y se
suman intensificando el campo magnético total.
El magnetismo como tal se conoce por lo menos desde el 600 a.C. cuando el griego
Tales de Mileto habla detalladamente del imán. La magnetita, un mineral del hierro, produce
magnetismo de forma natural y permanente.
Sin embargo un electroimán tiene la ventaja que el campo magnético puede establecerse,
aumentarse, disminuirse o quitarse por medio del control de la corriente eléctrica. Además los
electroimanes son necesarios para fabricar imanes permanentes.
El magnetismo es intrínseco a la materia al igual que lo es la electricidad, pero ambos
fenómenos se manifiestan bajo determinadas condiciones.
Sin embargo puede decirse que la fuente del campo magnético son las cargas eléctricas en
movimiento o corriente eléctrica. En el interior de la materia, a nivel atómico y molecular, se
producen estas corrientes que producen campos magnéticos en todas direcciones que se
anulan entre sí y por eso los materiales normalmente no muestran magnetismo.
Podemos pensar que en el interior de la materia hay pequeños imanes (momentos
magnéticos) que apuntan en todas direcciones por lo que su efecto macroscópico se anula.
En los materiales ferromagnéticos los momentos magnéticos pueden alinearse y formar
regiones denominadas dominios magnéticos. Cuando un campo externo se aplica estos
dominios se alinean. Cuando de retira el campo externo estos dominios no retornan a su
posición aleatoria original sino que permanecen parcialmente alineados, de esta forma el
material se magnetiza y forma un imán permanente.
Partes de un electroimán
Un electro-imán está compuesto de:
1.- Un bobinado de cable aislado con barniz.
2.- Un núcleo de hierro (opcional).
3.- Una fuente de corriente, que puede ser continua o alterna.
1.- Un bobinado de cable aislado con barniz.
2.- Un núcleo de hierro (opcional).
3.- Una fuente de corriente, que puede ser continua o alterna.
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| Partes de un electroimán (R.P.) |
El bobinado es el conductor por el que pasa la corriente que produce el campo magnético y
se enrolla en forma de resorte.
En el bobinado las espiras o vueltas suelen estar muy juntas, por eso es extremadamente
importante que el cable con el que se realiza el bobinado tenga aislante eléctrico, lo cual se
logra con un barnizado especial. La finalidad del barnizado es que aún cuando las espiras se
agrupen y se toquen unas con otras se mantengan eléctricamente aisladas y la corriente
siga su curso en espiral.
Entre mayor grosor tenga el conductor del bobinado mayor intensidad de corriente soportará
el cable pero limita el número total de espiras que pueden arrollarse. Es por esta razón que
muchas bobinas de electroimán usan cable delgado.
El campo magnético producido será proporcional a la corriente que pase por el conductor del
bobinado y también proporcional a la densidad de espiras. Esto significa que entre más
espiras por unidad de longitud se coloquen mayor será la intensidad del campo.
Entre más apretadas están las espiras del bobinado mayor será el número que caben en una
longitud dada, aumentando su densidad y por tanto el campo resultante. Es esta otra de las
razones por la que los electroimanes usan cable aislado con barniz en vez de plástico u otro
material que le añadiría grosor.
En un solenoide o electroimán cilíndrico como el que se muestra en la figura 2 el campo
magnético estará dado por la siguiente relación:
B = μ⋅n⋅I
Donde B es el campo magnético (o inducción magnética) que en unidades del sistema
internacional se mide en Tesla, μ es la permeabilidad magnética del núcleo, n es la densidad
de espiras o número de espiras por cada metro y por último la corriente I que circula por el
embobinado que se mide en amperes (A).
La permeabilidad magnética del núcleo de hierro dependiendo de la aleación del mismo
suele ser entre 200 y 5000 veces la permeabilidad del aire y en este mismo factor se
multiplica el campo resultante respecto al de un electroimán sin núcleo de hierro.
La permeabilidad del aire es aproximadamente igual a la del vacío que es
μ0= 1,26x10^-6 T*m/A.
Funcionamiento de un electroimán
Para entender el funcionamiento de un electroimán es necesario comprender la física del
magnetismo.
Comencemos por un simple cable recto que transporta una corriente I, esta corriente
produce un campo magnético B alrededor del cable.
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| Campo magnético producido por un cable recto. (wikimedia commons) |
Las líneas de campo magnético alrededor del cable recto son círculos concéntricos
alrededor del cable conductor. Las líneas de campo cumplen la regla de la mano derecha,
esto es, que si el pulgar de la mano derecha apunta en la dirección de la corriente los otros
cuatro dedos de la mano derecha indicarán el sentido de circulación de las líneas de campo
magnético.
El campo magnético debido a un cable recto a una distancia r del mismo es:
B = μ0⋅I / (2 pi r)
Esto significa que a medio centímetro de distancia del conductor el campo magnético es de
40 millonésimas de Tesla, del mismo orden del campo magnético terrestre.
Supongamos que doblamos el cable de modo que forme un círculo o espira, entonces las
líneas de campo magnético de la parte interior del se juntan apuntando todas en la misma
dirección, sumándose y reforzandose. En la parte interior del loop o círculo el campo es más
intenso que en la parte exterior en donde las líneas de campo se separan y se debilitan.
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| Campo magnético producido por una espira (wikimedia commons) |
El campo magnético en el centro de una espira de radio a que transporta una corriente I, el
campo magnético resultante es:
B = B = μ0⋅I / (2 a)
esto significa que en el centro de una espira de un centímetro de diámetro el campo
magnético será 125,7 millonésimas de Tesla, lo que muestra que el efecto de doblar el
conductor en forma circular intensifica el campo magnético en el centro del círculo que sigue
estando a 0,5 cm del conductor.
El efecto se va multiplicando si cada vez doblamos el cable para que tenga dos, tres, cuatro,
…. y muchas vueltas. Cuando enrollamos el cable en forma de resorte con espiras muy juntas
el campo magnético en el interior del resorte es uniforme y muy intenso, mientras en la parte
externa es prácticamente cero.
Supongamos que enrollamos el cable en una espiral de 30 vueltas en 1 cm de largo y 1 cm
de diámetro. Esto da una densidad de espiras de 3000 vueltas por metro.
En un solenoide ideal el campo magnético en su interior está dado por:
B = μ0⋅n⋅I
lo que significa que el campo magnético se intensificó hasta aproximadamente 37700
millonésimas de Tesla.
Resumiendo nuestros cálculos para un cable que conduce 1 Ampere de corriente y
calculando el campo magnético en microteslas, siempre a 0,5 cm de distancia al cable en
diferentes configuraciones:
- Cable recto: 40 microteslas.
- Cable en un círculo de 1 cm de diámetro: 125 microteslas.
- Espiral de 300 vueltas en 1 cm: 3770 microteslas = 0,003770 Tesla.
Pero si añadimos a la espiral un núcleo de hierro con permitividad relativa de 100, entonces
el campo se multiplica 100 veces, es decir 0,37 Tesla.
También es posible calcular la fuerza que el electroimán en forma solenoidal ejerce sobre una
sección del núcleo de hierro de sección transversal A:
F = B^2 A / (2 mu0)
Los materiales ferromagnéticos tienen la característica que el campo magnético B se satura
a cierto valor máximo. En los núcleos de hierro de mayor permeabilidad este valor está
comprendido entre 1,6 a 2 Tesla.
Suponiendo un campo magnético de saturación de 1,6 Tesla la fuerza por metro cuadrado
de sección de área de núcleo de hierro ejercida por el electroimán será de 10^6 Newton
equivalente a 10^5 Kilogramos fuerza, es decir 0,1 Toneladas por metro cuadrado de
sección transversal.
Esto significa que un electroimán en campo de saturación de 1,6 Tesla ejerce una fuerza de
10 kg sobre un núcleo de hierro de 1 cm^2 de sección transversal.
Aplicaciones de los electroimanes
- Los electro-imanes son parte de muchos aparatos y dispositivos.
- Por ejemplo están presentes en el interior de:
- los motores eléctricos,
- los alternadores y dinamos,
- los altavoces,
- los relés o suiches electromecánicos,
- el timbre eléctrico,
- las válvulas solenoides para control de flujo,
- los discos duros de computadora,
- las grúas elevadoras de chatarra,
- los separadores de metales de los desechos urbanos,
- los frenos eléctricos de trenes y camiones,
- las máquinas de imágenes por resonancia magnética nuclear
- y muchísimos dispositivos más.
Referencias
Wikipedia. Electroimán. Recuperado de: wikipedia.com/es
Wikipedia. Electromagnet. Recuperado de: wikipedia.com/en
J Tagueña y E. Martina. El magnetismo. De la brújula al espín. (bibliotecadigital.ilce.edu.mx/)
F. García. Campo Magnético. (www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/magnetico/)
Wikipedia. Magnetización. (wikipedia.com/es)
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