Existen, en la naturaleza, ciertos cuerpos que tienen la propiedad de atraer al hierro, al níquel y al acero. Los cuerpos que presentan tal propiedad se llaman imanes. Algunos de estos también pueden atraer al cobalto, que presenta características semejantes a las del hierro.
Los imanes presentan una propiedad característica llamada magnetismo, que es la fuerza de atracción que ejercen sobre otros cuerpos con propiedades semejantes a las del hierro. Sin embargo, esta propiedad no es uniforme en todo el cuerpo de un imán, ya que se presenta de forma más marcada en los extremos, los cuales son nombrados polos magnéticos.
Los materiales como el hierro, el cobalto, el níquel, el acero y algunos otros se denominan materiales ferromagnéticos, ya que por diversos procesos pueden ser imantados fuertemente y formar, así, un imán artificial.
En un lugar de Asia Menor llamado Magnesia, los griegos descubrieron una piedra que poseía la propiedad de atraer los materiales ferrosos y la llamaron magnetita, la cual está formada por dos elementos químicos que forman óxido de fierro (Fe3O4) ; este mineral constituye un imán natural.
Los imanes se pueden atraer o repeler entre ellos en la misma forma que lo hacen dos cuerpos electrizados, puesto que presentan dos polos llamados: norte y sur, los polos iguales se rechazan y los contrarios se atraen.
Para dar nombre a los polos de un imán se considera su orientación geográfica Norte-Sur: el polo norte de un imán se orienta con el polo Norte geográfico y el polo sur del mismo se orienta con el polo Sur geográfico.
Las propiedades magnéticas de un imán no se encuentran localizadas en un punto particular, se localizan en todo el cuerpo; así, cuando un imán se rompe, no se obtiene un pedazo con polo norte y otro con polo sur, en cada uno de los pedazos aparecen los dos polos, formando dos imanes que, aunque más pequeños, poseen todas las características magnéticas.
Los imanes producen en el espacio una fuerza, la cual se llama campo magnético y se manifiesta atrayendo o rechazando a otro imán o cuerpo ferroso que se encuentre en dicho campo. El campo magnético está formado por líneas de fuerza que van del polo norte hacia el polo sur.
El campo magnético se manifiesta con mayor intensidad cerca de los polos del imán.
La Tierra se comporta como un gigantesco imán que tiene sus polos magnéticos cerca de los polos geográficos; las fuerzas magnéticas que forman el campo magnético y que se manifiestan en la superficie son producidas por las corrientes eléctricas que se forman en el lugar llamado núcleo externo. Como las características magnéticas de la Tierra son producto de la corriente eléctrica, se dice que ésta es un electroimán.
En 1820, el físico James Hans Christian Oersted, al realizar experimentos relacionados con la electricidad, observó que cuando una corriente eléctrica fluye por un conductor produce un campo magnético que lo rodea y provoca la desviación de la aguja de una brújula. Este fenómeno recibió el nombre de efecto Oersted, en honor de su descubridor, quien también descubrió que las líneas de fuerza magnéticas se ubican en un plano perpendicular al conductor y en torno a éste forman círculos.
La desviación que experimenta la aguja de una brújula al ponerla bajo los efectos de un campo magnético, producto de una corriente eléctrica, depende de dos factores: uno, la posición de la brújula con respecto al conductor; dos, el sentido de la corriente que fluye por el conductor. Estos factores fueron enunciados por el físico francés André-Marie Ampère como la regla de la mano derecha, la cual establece: al empuñar con la mano derecha un conductor de modo que el dedo pulgar apunte en el sentido en que fluye la corriente, los otros dedos apuntarán en la dirección en la que se encuentra el campo magnético.
Cuando el conductor se enrolla en varias espiras sobre un cilindro, el campo magnético formado es igual a la suma del cuerpo magnético formado por cada espira. Este dispositivo nombrado solenoide sirve para formar un campo magnético similar al de un imán de barra.
Si dentro del solenoide se introduce un núcleo de material ferromagnético, se forma un electroimán en el cual las líneas de fuerza se concentran y forman campos magnéticos más intensos.
Los electroimanes tienen muchas aplicaciones en diversos niveles: se utilizan para mover grandes cuerpos metálicos por medio de grúas magnéticas, en timbres caseros, en motores eléctricos y en bocinas generadoras de sonidos.
En 1825, el químico y físico inglés Michael Faraday se planteó el problema de si era posible que un campo magnético diera origen a un tipo de electricidad. Comprobó que al mover un imán dentro de un solenoide o que al mover un solenoide sobre un imán fijo, se producía una corriente eléctrica inducida en el solenoide, la cual se registra por medio de un galvanómetro.
Faraday también descubrió que la dirección de la fuerza electromotriz depende del movimiento del imán, ya que si se acerca el polo norte de éste al solenoide, la corriente fluye en sentido contrario; observó también que la intensidad de la corriente es directamente proporcional a la rapidez con que se mueve el imán dentro del solenoide (variación del campo magnético).
Con los descubrimientos sobre corriente inducida realizados por Faraday se produjo un gran desarrollo teórico sobre el electromagnetismo, pues a partir de energía mecánica se podía obtener energía eléctrica. Con este principio se crearon grandes máquinas generadoras de energía eléctrica, como la magnetoeléctrica, en donde el campo magnético es producto de un imán permanente; otra de estas máquinas es la dinamoeléctrica, en la cual el campo magnético está formado por electroimanes. En ambos casos, las máquinas cuentan con dos partes esenciales: una, el estator, la cual permanece fija; dos, el rotor, que es la parte móvil constituida por un conjunto de espiras (el rotor gira dentro del campo magnético del estator).
Transformadores eléctricos
Con la producción de electricidad en gran escala se presentó el problema de conducirla a grandes distancias sin que se perdiera, en forma de calor, en los cables. El transformador eléctrico vino a resolver este problema, ya que por medio de ellos se puede variar la intensidad y el voltaje de la corriente eléctrica.
Un transformador consta básicamente de tres elementos: un núcleo y dos bobinas. El núcleo es de hierro en forma de marco y las bobinas se ubican en los extremos, de modo que entre ellas exista un espacio; por una de ellas (bobina primaria) circula corriente alterna, la cual se transforma en corriente directa; la otra (bobina secundaria) es por donde sale la corriente con el voltaje requerido y se conduce a los lugares deseados.
Cuando a la bobina primaria llega corriente alterna, ésta funciona como un solenoide y se produce un flujo magnético en el núcleo. Como la corriente es alterna, el flujo cambia constantemente, por lo que en la bobina secundaria se origina una corriente inducida; el voltaje obtenido está en función del número de espiras en las bobinas. Entre las bobinas también existe una razón inversa, ya que si en la bobina primaria el voltaje es alto, en la bobina secundaria será bajo. Esta proporción se puede calcular por medio de la fórmula:
Como en el transformador tampoco se crea ni se destruye la energía, y si no existe pérdida de ésta en el trabajo desarrollado por las bobinas, se debe de cumplir que: la potencia eléctrica que entra es igual a la potencia eléctrica que sale del transformador, de acuerdo con la siguiente igualdad:
Los transformadores son de dos tipos y se clasifican como transformadores elevadores y transformadores reductores. En el transformador reductor, la bobina secundaria tiene menos espiras.
Ejemplo:
¿Qué voltaje se obtendrá en la bobina secundaria si a la primaria llega una corriente alterna de 220 voltios? La bobina primaria cuenta con 300 espiras y la secundaria con 800.
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