Electromagnetismo

El electromagnetismo es la producción de magnetismo en el espacio alrededor de un cable que conduce una corriente eléctrica o de una partícula cargada en movimiento. Es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

La física es la ciencia que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos, en una rama también conocida como electromagnetismo. La electricidad y el magnetismo son fenómenos físicos estrechamente ligados.

Cómo funciona el electromagnetismo

La electricidad y el magnetismo son dos lados de una misma moneda: el electromagnetismo. El magnetismo se origina de las corrientes eléctricas a la vez que los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre las cargas eléctricas en movimiento.

El campo eléctrico rodea a cualquier objeto cargado. El movimiento de las cargas crea un campo magnético. La fuente del magnetismo para un imán en reposo es el movimiento de los electrones cargados en los átomos que forman el material.

Los electroimanes son materiales ferromagnéticos que funcionan solo cuando tienen un flujo eléctrico. Encontramos electroimanes en muchos de los aparatos eléctricos que tenemos en el hogar: bocinas de sonido, motores eléctricos y computadores.

Inducción electromagnética

La producción de electricidad a partir de movimiento y magnetismo se denomina inducción electromagnética.

Michael Faraday (1791-1867) y Joseph Henry (1797-1878) descubrieron, cada uno por su lado, que si una bobina de cables se mueve con respecto a un campo magnético se produce una corriente en un circuito cerrado. La bobina y/o el campo magnético deben moverse de tal forma que los cables de la bobina pasen a través del campo magnético, que va del polo norte al polo sur.

Faraday publicó primero los resultados y por eso se le atribuye el descubrimiento de la inducción electromagnética. La ley de Faraday establece que si el número de vueltas de una bobina se duplica y si la bobina gira el doble de rápido, la corriente inducida será cuatro veces mayor (asumiendo la misma resistencia).

¿Para qué sirve el electromagnetismo?

El descubrimiento del electromagnetismo y sus leyes han permitido el desarrollo de la civilización moderna. A continuación ejemplos de los usos del electromagnetismo.

Motor eléctrico

Los motores eléctricos funcionan debido a la interacción magnética entre electroimanes. La dirección de la corriente a través del electroimán se elige de tal manera que los electroimanes repelen el imán permanente en el rotor. La fuerza de repulsión mueve el rotor. El electroimán se apaga.

Generadores

Un generador es un dispositivo que transforma energía en movimiento en energía eléctrica. En un generador, una bobina y un campo magnético se mueven entre si. Este movimiento produce o genera electricidad en la bobina.

Plantas eléctricas

Las plantas eléctricas funciona de la siguiente forma:

bobinas de cables se mueven en un campo magnético y, como consecuencia, se produce una corriente eléctrica. De aquí parten los cables que se distribuyen por las comunidades, donde la electricidad se usa para el funcionamiento de los equipos eléctricos.

Algunas plantas usan combustibles fósiles o energía nuclear para generar vapor de agua que es el que produce el movimiento de las bobinas. Otras plantas usan el viento o el agua en movimiento (plantas hidroeléctricas) para mover la turbinas.

Aplicaciones del electromagnetismo

Orientación de animales

electromagnetismo orientacion abejas
La abeja Apis mellifera posee células especializadas que detectan el campo magnético terrestre.

El campo magnético de la Tierra ejerce una fuerza sobre sus habitantes. Algunos animales detectan la dirección y la intensidad del campo magnético terrestre, permitiéndoles la orientación y navegación en cualquier momento del día.

La magnetita es un mineral de fórmula Fe3O4 que retiene un campo magnético permanente, interactuando con el campo magnético terrestre. Las abejas productoras de miel poseen unas células especializadas donde se encuentran microcristales de magnetita. En otros animales también se han encontrado órganos con magnetita: pájaros, reptiles y peces.

Imagenología por resonancia magnética

La imagenología por resonancia magnética es una tecnología esencial en la medicina moderna. Se basa en el comportamiento de los núcleos de hidrógeno en el agua de los cuerpos cuando se expone a un campo magnético muy fuerte.

Un aparato de resonancia magnética tiene un campo magnético intenso de 3 tesla (100 000 veces más intenso que el campo magnético de la Tierra). Un campo magnético de esta intensidad no tiene efectos apreciables sobre nuestro organismo. Sin embargo, este campo es lo suficientemente fuerte para atraer objetos de metal ferromagnético. Es por ello que cuando se hace este tipo de análisis se deben retirar todos los objetos metálicos que lleva la persona.

El maglev: trenes que levitan

Los trenes de levitación magnética o maglev no se mueven sobre ruedas o rieles. En su lugar, se mantienen "levitando" sobre la vía gracias a unos potentes electroimanes. Estos son construidos usando superconductores, materiales que no ofrecen resistencia eléctrica a la conducción de cargas eléctricas.

Debido a que no existe fricción entre el tren y el pavimento, los maglev pueden alcanzar velocidades de hasta 600 km/h. Estos superimanes son posibles gracias a los superconductores.

Ejemplos de fenómenos electromagnéticos

La Tierra posee un campo magnético que se asemeja a un imán en forma de barra en el interior de la misma, y que se origina por las corrientes eléctricas internas. Las brújulas imantadas se usan para la orientación pues la aguja se orienta en dirección del norte geográfico del globo terráqueo.

Auroras boreales y australes

aurora borealis electromagnetismo
Las auroras boreales se presentan en el hemisferio Norte.

El campo magnético terrestre nos protege de las partículas cargadas de alta energía provenientes del espacio exterior, sobre todo del Sol, que son desviadas a las regiones polares. Algunas al llegar a la atmósfera excitan átomos y moléculas de los gases del aire. Cuando los electrones excitados regresan a su nivel electrónico basal, emiten una luz característica dando origen a las auroras boreales (hemisferio Norte) y australes (hemisferio sur).

Superconductores

Científicos e ingenieros descubrieron que algunos materiales a muy bajas temperaturas (alrededor de -200º C) no ofrecen resistencia al flujo de la electricidad. Estos son los llamados materiales superconductores. Actualmente se está en la búsqueda de superconductores que funcionen a temperatura ambiente, lo cual revolucionaría el mundo eléctrico.

Conceptos fundamentales del electromagnetismo

Para poder abordar el tema de electromagnetismo, debemos aclarar ciertos conceptos sobre campo eléctrico y magnético.

Campo eléctrico

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de las partículas que constituyen la materia y que originan el campo eléctrico. La carga del electrón es -1,602 x 10-19 Coulomb y fue determinada por primera vez por el físico Robert Milikan (1868-1953) en 1909.

La carga eléctrica de un cuerpo (Q) es el resultado de las cargas de todas las partículas que lo forman. Si esta partícula de carga Q está en un cierto punto en el espacio y se coloca otra partícula de carga q en otro punto del espacio, el primer cuerpo ejercerá una fuerza a distancia sobre el segundo cuerpo. Podemos decir que el cuerpo de carga Q crea un campo de fuerza a su alrededor que es “sentido” por otros cuerpos. A este campo se le llama campo eléctrico.

El campo eléctrico es una magnitud vectorial que se designa por:

negrita E con negrita flecha derecha encima

cuyas unidades son voltio por metro (V/m) o newton por coulomb (N/C).

Líneas de campo eléctrico

Son lineas imaginarias que sirven para representar el campo eléctrico, dándonos una idea de la intensidad y orientación del mismo. Podemos visualizarlas mediante el siguiente experimento:

En un recipiente se coloca aceite y dos electrodos. Sobre el aceite se esparce jabón en polvo y se hace pasar una corriente. El jabón en polvo se irá alineando a lo largo de las líneas del campo eléctrico.

Características de las líneas eléctricas

  • Lineas imaginarias que parten de las cargas positivas y apuntan a las cargas negativas.
  • Nunca se cruzan.
  • El vector campo eléctrico E en cada punto del espacio es tangente a la linea de campo que pasa por ese punto y tiene el sentido de esa línea.
  • La intensidad del campo eléctrico E será mayor cuanto mayor sea la intensidad de las lineas de campo.

Campo eléctrico uniforme

Es un tipo de campo eléctrico donde el vector E es igual en intensidad, dirección y sentido en todo los puntos de una región dada. Las líneas de campo son rectas paralelas y equidistantes.

Los campos eléctricos uniformes son la base de la tecnología usada en las impresoras y fotocopiadoras, pantallas táctiles y condensadores.

Campo magnético

Tal como las cargas eléctricas crean un campo eléctrico, los imanes crean también a su alrededor un campo magnético. El cambio en el espacio que produce el imán y que hace que las limaduras de hierro se acomoden formando un patrón característico se le denomina campo magnético.

El campo magnético producido por el imán se manifiesta por las fuerzas magnéticas ejercidas sobre los materiales (cobalto o hierro) de que estan hechas las limaduras. Las limaduras se concentran en los polos donde las fuerzas magnéticas son más intensas.

La magnitud del campo magnético disminuye al alejarse del material que lo produce, ya sea un imán o un material ferromagnético imantado. Los imanes pueden ser de varios materiales, de formas y tamaños diferentes, siempre con un polo norte y un polo sur.

Las propiedades magnéticas de los materiales tienen su origen en la estructura electrónica. Sin embargo, sólo algunos materiales llamados ferromagnéticos presentan un campo magnético macroscópico (hierro y sus aleaciones, níquel, cobalto).

El campo magnético es una cantidad vectorial simbolizada por:

negrita B con negrita flecha derecha encima

Esta magnitud se define para cada punto del espacio que está sobre la influencia de uno o más imanes. La unidad en el SI es el tesla (T) en homenaje a inventor Nikola Tesla (1856-1943). Por ejemplo, el campo magnético de la Tierra es de 25 a 65 micro teslas en la superficie, mientras que las pulseras magnéticas apenas generan un campo de 0,20 micro teslas.

Espectro magnético y líneas del campo magnético

Alrededor de un imán las limaduras de hierro se alinean según la dirección del campo magnético dibujando el espectro magnético. A las regiones del imán donde las líneas de campo se unen, se les denomina polos magnéticos.

Las lineas de campo magnético se orientan de polo norte al polo sur fuera del imán y del polo sur para el polo norte dentro del imán, formando lineas cerradas. En cada punto, el vector B es tangente a la linea del campo que pasa por ese punto y tiene el sentido de esa linea, siendo mas intenso donde se concentran las líneas.

Características de las líneas del campo magnético

  • Lineas imaginarias cerradas que nunca de cruzan.
  • El vector campo magnético B, en cada punto del espacio, es tangente a la linea del campo que pasa por ese punto con su mismo sentido.
  • La intensidad del campo magnético B es mayor cuando la densidad de las líneas es mayor.

Experimentos de Oersted

Aunque inicialmente se creía que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos diferentes, pronto se descubrió que ambos en realidad eran una sola fuerza.

En 1820 mientras experimentaba con electricidad y magnetismo, el físico y profesor danés Hans Christian Oersted (1777-1851), se percató del cambio en la orientación de una brújula que se encontraba cercana a un cable por donde pasaba una corriente eléctrica. Oersted demostró así que la corriente eléctrica en un conductor produce a su alrededor un campo magnético.

Ley de electromagnetismo

Gracias a los experimentos realizados por André-Marie Ampère (1775-1836), lo llevaron a establecer que

Hitos históricos del electromagnetismo

600 A. de C.

En una región de Turquía, llamada Magnesia, se descubre una mina de piedras con la capacidad de atraer objetos de metal.

800 D. de C.

Brújulas construidas con materiales magnéticos en China.

1600

William Gilbert (1540-1603) escribe un tratado sobre magnetismo. Propuso que la Tierra era un gran imán.

1820

Hans Christian Oersted (1777-1851) descubre que una corriente eléctrica generaba un cambio en la orientación de una brújula que se encontraba en la cercanía.

1821

André-Marie Ampère (1775-1836) sentó las bases de la teoría electrodinámica.

1831

Michael Faraday (1791-1867) descubre los principios de la inducción electromagnética.

1873

James Clerk Maxwell (1831-1879) establece las bases matemáticas de la teoría electromagnética.

1885

Heinrich Hertz (1857-1894) detecta las ondas electromagnéticas. En su honor se usa "hertz" como la medida de la frecuencia de las ondas en ciclos por segundo.

Vea también Corriente eléctrica.