MODULO 1 - LECCION 1 : MATERIA ENERGIA ELECTRICIDAD Y SIMBOLOGIA
LECCION 1 PARTE C
MAGNETISMO
Para entender correctamente los
principios de la electricidad, es necesario estudiar el magnetismo y los
efectos del magnetismo en los equipos eléctricos. El magnetismo y la
electricidad están tan estrechamente relacionados que el estudio de cualquiera de una de las
asignaturas estaría incompleto sin al menos un conocimiento básico de la otra.
Gran parte de los modernos equipos
eléctricos y electrónicos de hoy no podrían funcionar sin el magnetismo. Los
altavoces de alta fidelidad usan imanes para convertir las salidas del
amplificador en sonido audible. Los motores eléctricos utilizan imanes para convertir
la energía eléctrica en movimiento mecánico; Los generadores usan imanes para
convertir movimiento mecánico en energía eléctrica
PREGUNTA DE CONTROL
P 18. ¿Cuáles son algunos ejemplos de equipos eléctricos que utilizan magnetismo?
MATERIALES
MAGNETICOS
El magnetismo se define generalmente
como la propiedad de un material que le permite atraer piezas de hierro. Un material que posee esta
propiedad se conoce como IMAN. La palabra se originó con los griegos antiguos,
que encontraron piedras que poseen esta característica. Los materiales que son
atraídos por un imán, como el hierro, el acero, el níquel y el cobalto tienen
la capacidad de magnetizarse. Estos se llaman materiales magnéticos.
Los materiales, como papel, madera,
vidrio o estaño, que no son atraídos por los imanes, se consideran no magnéticos Los materiales no
magnéticos no pueden magnetizarse.
PREGUNTA DE CONTROL
P9. ¿Qué son los materiales magnéticos?
Materiales
Ferromagneticos
El grupo más importante de materiales
relacionados con la electricidad y la electrónica son los materiales ferromagnéticos. Los
materiales ferromagnéticos son aquellos que son relativamente fáciles de
magnetizar, tales como el hierro, el acero, el cobalto y las aleaciones Alnico
y Permalloy. (Una aleación que está hecha de la combinación de dos o más
elementos, uno de los cuales debe ser un metal). Estas nuevas aleaciones pueden
ser muy fuertemente magnetizadas, y son capaces de obtener una fuerza magnética
lo suficientemente grande como para levantar 500 veces su propio peso.
Imanes
Naturales
Las piedras magnéticas, como las que
encontraron los antiguos griegos, se consideran IMANES NATURALES. Estas piedras
tenían la capacidad de atraer pequeños trozos de hierro de manera similar a los
imanes que son comunes hoy en día. Sin embargo, las propiedades magnéticas
atribuidas a las piedras eran productos de la naturaleza y no el resultado de
los esfuerzos del hombre. Los griegos llamaban a estas sustancias magnetita.
Se dice que los chinos se dieron
cuenta de algunos de los efectos del magnetismo desde 2600 a. C. Observaron que
las piedras similares a la magnetita, cuando se suspendían libremente, tenían
una tendencia a asumir una dirección norte y sur.
Los imanes naturales, que actualmente
se pueden encontrar en los Estados Unidos, Noruega y Suecia, ya no tiene un uso
práctico, ya que ahora es posible producir fácilmente imanes más potentes.
P 20.
¿Qué características tienen en común todos los materiales ferromagnéticos?
Imanes
Artificiales
Los imanes producidos a partir de
materiales magnéticos se denominan IMANES ARTIFICIALES. Se pueden hacer en una
variedad de formas y tamaños y se utilizan ampliamente en aparatos eléctricos.
Los imanes artificiales en general, se fabrican a partir de aleaciones
especiales de hierro o acero que generalmente se magnetizan eléctricamente. El
material para a magnetizarse se inserta en una bobina de cable aislado y se
pasa un gran flujo de electrones a través del cable de la bobina. Los imanes
también se pueden producir frotando un material magnético con magnetita o
con otro imán artificial. Las fuerzas que causan la magnetización están
representadas por líneas magnéticas de fuerza, muy similar en naturaleza a las
líneas de fuerza electrostática.
Los imanes artificiales se clasifican
generalmente como PERMANENTES o TEMPORALES, dependiendo de su capacidad de
retener sus propiedades magnéticas después de que se haya eliminado la fuerza
de magnetización. Imanes hechos de sustancias, como el acero endurecido y
ciertas aleaciones que conservan gran parte de su magnetismo, se llaman IMANES
PERMANENTES. Estos materiales son relativamente difíciles de magnetizar debido
a la oposición ofrecida a las líneas magnéticas de fuerza mientras las líneas
de fuerza intentan distribuirse a lo largo del material. La oposición que un
material ofrece a las líneas magnéticas de fuerza se llama RELUCTANCIA. Todos
los imanes permanentes se producen a partir de materiales con una alta
reluctancia.
Un material con una baja reluctancia,
como el hierro blando o el acero al silicio recocido, es relativamente fácil de
magnetizar, pero retendrá solo una pequeña parte de su magnetismo una vez que
se elimine la fuerza magnetizante. Los materiales de este tipo que fácilmente
pierden la mayor parte de su fuerza magnética se llaman IMANES TEMPORALES. La
cantidad de magnetismo que permanece en un imán temporal se conoce como su MAGNETISMO
RESIDUAL. La capacidad de un material para retener una cantidad de magnetismo
residual se llama la RETENTIVIDAD del material.
La diferencia entre un imán permanente
y un temporal se ha indicado en términos de RELUCTANCIA, un imán permanente que
tiene una alta reluctancia y un imán temporal que tiene una baja reluctancia.
Los imanes también se describen en términos de la PERMEABILIDAD de sus
materiales, o la facilidad con las que tales líneas magnéticas de fuerza se
distribuyen a lo largo del material. Un imán permanente, el cual es producido a
partir de un material con una alta reluctancia, tiene una baja permeabilidad.
Un imán temporal, producido a partir de un material con una baja reluctancia,
tendría una alta permeabilidad.
P21.
¿Qué tipo de material magnético se debe utilizar para hacer un imán temporal?
P22.
¿Qué es la retentividad?
POLOS
MAGNETICOS
La fuerza magnética que rodea un imán
no es uniforme. Existe una gran concentración de fuerza en cada extremo del
imán y una fuerza muy débil en el centro. La prueba de este hecho puede ser
obtenida sumergiendo un imán en limaduras de hierro (fig. 1-8). Se ha
encontrado que muchas presentaciones se aferrarán a los extremos del imán
mientras que muy pocos se adhieren al centro. Los dos extremos, que son las
regiones de líneas concentradas de fuerza, se llaman los POLOS del imán. Los
imanes tienen dos polos magnéticos y ambos polos tienen igual fuerza magnética
Figura
1-8. — Las limaduras de hierro se adhieren a los polos de un imán.
La
ley de los polos magnéticos
Si un imán de barra se suspende
libremente en una cuerda, como se muestra en la figura 1-9, se alineará en un
norte y dirección sur. Cuando este experimento se repite, se encuentra que el
mismo polo del imán siempre gira hacia el polo norte magnético de la tierra.
Por lo tanto, se llama el polo que busca el norte o simplemente el polo norte.
El otro polo del imán es el polo que busca el sur o el POLO SUR.
Figura
1-9. —Una barra magnética actúa como una brújula.
Un uso práctico de la característica
direccional del imán es la brújula, un dispositivo en el que una aguja
magnetizada que gira libremente apunta hacia el Polo Norte. La realización que
los polos de un imán suspendido siempre se mueven a una posición definida da
una indicación de que los polos opuestos de un imán tiene polaridad magnética
opuesta.
La ley previamente establecida con
respecto a la atracción y repulsión de cuerpos cargados también puede ser
aplicado al magnetismo si el polo es considerado como una carga. El polo norte
de un imán siempre será atraído por el polo sur de otro imán y mostrará una
repulsión a un polo norte. La ley para los polos magnéticos es:
Los polos iguales se repelen, a los polos opuestos se atraen.
P23.
¿Cómo se relaciona la ley de los polos magnéticos con la ley de las cargas
eléctricas?
Los
polos magnéticos de la Tierra
El hecho de que una aguja de la
brújula siempre se alinee en una dirección particular, independientemente de su
ubicación en la tierra, indica que la tierra es un gran imán natural. La
distribución de la fuerza magnética sobre la Tierra es la misma que la que
podría producir un imán de barra gigante que atraviesa el centro de la tierra
(fig. 1-10). El eje magnético de la Tierra se encuentra a unos 15º de su eje geográfico ubicando los polos
magnéticos a cierta distancia de los polos geográficos. La capacidad del polo
norte de la aguja de la brújula de apuntar hacia el polo geográfico norte se
debe a la presencia del polo magnético cercano
Este polo magnético se llama el Polo
Norte magnético. Sin embargo, en realidad, debe tener la polaridad de un
polo magnético sur, ya que atrae el polo norte de una aguja de la brújula. La
razón para este conflicto en la terminología se puede remontar a los primeros
usuarios de la brújula. Sabiendo poco sobre los efectos magnéticos, llamaron al
final de la aguja de la brújula que apuntaba hacia el polo geográfico norte, el
polo norte de una brújula. Con nuestro conocimiento actual del magnetismo,
conocemos que el polo norte de la aguja de una brújula, (un pequeño imán de
barra) solo puede ser atraída por un polo magnético diferente, es decir, una
polaridad magnética de polo sur.
Figura
1-10.—La Tierra como un imán.
P24.
Una brújula se encuentra en el Polo Norte geográfico. ¿En qué dirección
apuntaría su aguja?
TEORIAS
DEL MAGNETISMO
Teoría de
Weber
Una teoría popular del magnetismo
considera la alineación molecular del material. Esto se conoce como la teoría
de Weber. Esta teoría asume que todas las sustancias magnéticas están
compuestas de diminutos imanes moleculares.
Cualquier material no magnetizado tiene las
fuerzas magnéticas de sus imanes moleculares neutralizadas por imanes moleculares
adyacentes, eliminando así cualquier efecto magnético. Un material magnetizado
tendrá la mayoría de sus imanes moleculares alineados de modo que el polo norte
de cada molécula apunte en una dirección, y el polo sur mire hacia la dirección
opuesta. Un material con sus moléculas así alineadas tendrá entonces un polo
norte efectivo, y uno polo sur efectivo. Una ilustración de la teoría de Weber
se muestra en la figura 1-11, donde se magnetiza una barra de acero por roce.
Cuando una barra de acero se roza varias
veces en la misma en dirección por un imán, la fuerza magnética del polo norte
del imán hace que las moléculas se alinien por sí mismos.
Figura1-11.
—Teoria molecular del magnetismo de Weber
P25.
Utilizando la teoría molecular del magnetismo de Weber, describa la polaridad
de los polos magnéticos producido al rozar un material magnético de derecha a
izquierda con el polo sur de un imán.
Teoría
del dominio
Una teoría más moderna del magnetismo
se basa en el principio del giro electrónico. Del estudio de la estructura
atómica se sabe que toda la materia está compuesta de vastas cantidades de
átomos, que cada átomo contiene uno o más electrones orbitales. Se considera
que los electrones orbitan en varias capas y sub-capas dependiendo de su
distancia del núcleo. La estructura del átomo ha sido comparada previamente al
sistema solar, en donde los electrones que orbitan el núcleo corresponden a los
planetas que orbitan el sol. Junto con su movimiento orbital sobre el sol, cada
planeta también gira sobre su eje. Se cree que el electrón también gira en su
eje cuando orbita el núcleo de un átomo.
Se ha comprobado experimentalmente que
un electrón tiene un campo magnético al mismo tiempo que un campo eléctrico. La
efectividad del campo magnético de un átomo está determinada por el número de
electrones girando en cada dirección. Si un átomo tiene números iguales de
electrones girando en direcciones opuestas, los campos magnéticos que rodean
los electrones se anulan entre sí, y el átomo no está magnetizado. Sin embargo,
si más electrones giran en una dirección que en otra, el átomo está
magnetizado. Un átomo con un número atómico de 26, como el hierro, tiene 26
protones en el núcleo y 26 electrones giratorios que orbitan alrededor de su
núcleo. Si 13 electrones giran en sentido horario y 13 electrones giran en
sentido anti horario. los campos magnéticos opuestos serán neutralizados. Cuando
más de 13 electrones giran en cualquier dirección, el átomo está magnetizado. Un ejemplo
de un átomo de hierro magnetizado se muestra en la figura 1-12.
Figura
1-12. —Átomo de hierro
P26.
¿Cuál es la diferencia entre la teoría del dominio y la teoría del magnetismo
de Weber?
CAMPOS
MAGNÉTICOS
El espacio que rodea a un imán donde
actúan las fuerzas magnéticas se conoce como campo magnético.
Se puede obtener un patrón de esta
fuerza direccional realizando un experimento con limaduras de hierro. Un pedazo
de vidrio se coloca sobre una barra magnética y las limaduras de hierro se
esparcen sobre la superficie del vidrio La fuerza de magnetización del imán se
sentirá a través del vidrio y cada limadura de hierro se convertirá en un imán
temporal. Si el vidrio ahora se golpea suavemente, las partículas de hierro se
alinearán con el campo magnético que rodea al imán, al igual que la aguja de la
brújula. Las limaduras forman un patrón definido, que es una representación
visible de las fuerzas que comprenden el campo magnético. Un examen de la
disposición de las limaduras de hierro en la figura 1-13 indicará que el campo
magnético es muy fuerte en los polos y se debilita a medida que aumenta la
distancia de los polos. También es evidente que el campo magnético se extiende
de un polo al otro, constituyendo un bucle alrededor del imán.
Figura
1-13. —Patrón formado por limaduras de hierro
P7.
Consulte la figura 1-13. ¿Con qué propósito espolvorearía limaduras de hierro
en la placa de vidrio?
P8.
Consulte la figura 1-13. ¿Qué patrón se formaría si se asperjara aserrín sobre
el vidrio en lugar de limaduras de hierro?
.
Líneas
de fuerza
Para describir y trabajar con
fenómenos magnéticos, las líneas se utilizan para representar la fuerza
existente en el área que rodea un imán (consulte la fig. 1-14). Estas líneas,
llamadas LÍNEAS DE FUERZA MAGNÉTICAS, en realidad no existen, pero se utilizan
líneas imaginarias para ilustrar y describir el patrón del campo magnético. Se
supone que las líneas magnéticas de fuerza emanan del polo norte de un imán,
pasan a través del espacio circundante, y entran en el polo sur. Las líneas de
fuerza luego viajan dentro del imán desde el polo sur al polo norte,
completando así un lazo cerrado.
Figura
1-14. —Barra magnética mostrando líneas de fuerza.
Cuando dos polos magnéticos se juntan,
la atracción o repulsión mutua de los polos produce un patrón más complicado
que el de un solo imán. Estas líneas magnéticas de fuerza pueden ser trazadas
colocando una brújula en varios puntos a lo largo del campo magnético, o pueden
ser aproximadamente Ilustradas por el uso de limaduras de hierro como antes. Se
muestra un diagrama de polos magnéticos colocados juntos en la figura 1-15.
Figura
1-15. —Polos magnéticos en proximidad cercana.
Aunque las líneas magnéticas de fuerza
son imaginarias, una versión simplificada de muchos fenómenos magnéticos se
puede explicar asumiendo que las líneas magnéticas tienen ciertas propiedades
reales. Las líneas de fuerza pueden ser comparadas con las bandas de goma que se
extienden hacia afuera cuando se ejerce una fuerza sobre ellas y se contraen
cuando la fuerza se elimina. Las características de las líneas magnéticas de
fuerza se pueden describir de la siguiente manera:
1. Las líneas magnéticas de fuerza son
continuas y siempre formarán bucles cerrados.
2. Las líneas magnéticas de fuerza
nunca se cruzarán entre sí.
3. Las líneas de fuerza magnéticas
paralelas que viajan en la misma dirección se repelen entre sí. Las líneas de
fuerza paralelas que viajan en direcciones opuestas tienden a unirse entre sí y
formarse en líneas individuales que
viajan en una dirección determinada por los polos magnéticos que crean las
líneas de fuerza.
4. Las líneas magnéticas de fuerza
tienden a acortarse. Por lo tanto, las líneas magnéticas de fuerza existentes
entre dos polos distintos causa que los polos se unan.
5. Las líneas magnéticas de fuerza
pasan a través de todos los materiales, tanto magnéticos como no magnéticos.
6. Las líneas magnéticas de fuerza
siempre entran o dejan un material magnético en ángulos rectos con relación a
la superficie.
P 29.
¿Qué es una línea magnética de fuerza?
P 30.
¿En qué se diferencian las líneas magnéticas de fuerza de las líneas
electrostáticas de fuerza?
EFECTOS
MAGNETICOS
FLUJO MAGNÉTICO. El número total de
líneas de fuerza magnéticas que salen o entran en el polo de un imán se llama
FLUJO MAGNÉTICO. El número de líneas de flujo por unidad de área se conoce como
DENSIDAD DE FLUJO
.
INTENSIDAD DE CAMPO. La intensidad de
un campo magnético está directamente relacionada con la fuerza magnética ejercida
por el campo.
ATRACCIÓN / REPULSIÓN. La intensidad
de la atracción o repulsión entre los polos magnéticos puede ser descrita por
una ley casi idéntica a la Ley de Cuerpos Cargados de Coulomb. La fuerza entre
dos los polos es directamente proporcional al producto de las fuerzas de los
polos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los polos.
Inducción magnética
Se ha dicho previamente que todas las
sustancias que son atraídas por un imán son capaces de volverse magnetizadas.
El hecho de que un material sea atraído por un imán indica que el material debe
ser en si mismo un imán en el momento de la atracción.
Con el conocimiento de los campos
magnéticos y las líneas de fuerza magnéticas desarrolladas hasta este punto, es
fácil de entender la manera en que un material se magnetiza cuando se acerca a
un imán.
Cuando un clavo de hierro se acerca a
un imán de barra (fig. 1-16), algunas líneas de flujo que emanan del polo norte
del imán pasan a través del clavo de hierro para completar su camino magnético.
Ya que las líneas de fuerza magnéticas viajan dentro de un imán desde el polo
sur hasta el polo norte, el clavo se magnetizará con tal polaridad que su polo
sur será adyacente al polo norte del imán de barra. Ahora hay una atracción
entre los dos imanes.
Figura
1-16. — Clavo magnetizado.
Si otro clavo se pone en contacto con
el extremo del primer clavo, sería magnetizado por inducción. Este proceso
podría repetirse hasta que la intensidad del flujo magnético se debilite a
medida que la distancia desde el imán de barra aumenta. Sin embargo, tan pronto
como se separa el primer clavo de hierro del imán de barra, todos los calvos se
caerán. La razón es que cada clavo se convierte en un imán temporal, y tan pronto
como se elimina la fuerza de magnetización, sus dominios una vez más asumen una
distribución aleatoria.
La inducción magnética siempre
producirá una polaridad polar en el material que se magnetiza enfrente al del
polo adyacente de la fuerza magnetizante. A veces es posible traer un polo
norte débil de un imán cerca de un fuerte polo norte de un imán y observar la
atracción entre los polos. El imán débil, cuando es colocado dentro del campo
magnético del imán fuerte, tiene su polaridad magnética invertida por el campo
del imán más fuerte. Por lo tanto, es atraído al polo opuesto. Por esta razón, usted
debe mantener un imán muy débil, como una aguja de la brújula, lejos de un imán
fuerte.
El magnetismo puede ser inducido en un
material magnético por varios medios. El material magnético puede ser colocado
en el campo magnético, puesto en contacto con un imán o frotado por un imán. El
rozamiento y el contacto ambos indican contacto real con el material pero se
consideran en estudios magnéticos como magnetización por INDUCCIÓN.
Blindaje magnético
No existe un AISLADOR conocido para el
flujo magnético. Si se coloca un material no magnético en un campo magnético,
no hay un cambio apreciable en el flujo, es decir, el flujo penetra el material nomagnético. Por ejemplo, una placa de vidrio colocada entre los
polos de un imán de herradura no tendrá efecto apreciable en el campo aunque el
vidrio en sí mismo es un buen aislante en un circuito eléctrico. Si un material
magnético (por ejemplo, hierro blando)
se coloca en un campo magnético, el flujo puede ser redirigido para tomar ventaja
de la mayor permeabilidad del material magnético, como se muestra en la figura
1-17. La Permeabilidad, como se ha discutido anteriormente, es la cualidad de
una sustancia que determina la facilidad con la que se ésta puede magnetizar.
Figura
1-17. —Efectos de una substancia magnética en un campo magnético.
Los mecanismos sensibles de los
instrumentos y medidores eléctricos pueden verse influenciados por campos
magnéticos dispersos que causarán errores en sus lecturas. Debido a que los
mecanismos del instrumento no pueden aislarse contra el flujo magnético, es
necesario emplear algunos medios para dirigir el flujo alrededor del
instrumento. Esto se logra colocando una caja de hierro suave, llamada PANTALLA
MAGNÉTICA o BLINDAJE, cerca del
instrumento. Debido a que el flujo se establece más fácilmente a través del
hierro (aunque el camino es más largo) que a través del aire dentro de la caja,
el instrumento está efectivamente protegido, como lo muestra el reloj y el
blindaje de hierro suave en la figura 1-18.
Figure
1-18. —Blindaje magnético.
FORMAS
MAGNETICAS
Debido a los muchos usos de los
imanes, se encuentran en varias formas y tamaños. Sin embargo, los imanes generalmente
se clasifican en una de tres clasificaciones generales: imanes de barra, imanes
de herradura o imanes de anillo.
El imán de barra se usa con mayor
frecuencia en escuelas y laboratorios para estudiar las propiedades y los
efectos del magnetismo. En el material anterior, el imán de barra demostró ser
muy útil para demostrar los efectos magnéticos.
Otro tipo de imán es el imán de
anillo, que se utilizaba para los núcleos de memoria de la computadora. Una común
aplicación de un imán de anillo magnético temporal sería el blindaje de los instrumentos
eléctricos.
La forma del imán que se usa con más
frecuencia en equipos eléctricos y electrónicos se llama imán de herradura Un
imán de herradura es similar a un imán de barra pero está doblado en forma de
herradura.
El imán de herradura proporciona mucha
más fuerza magnética que un imán de barra del mismo tamaño y material debido a
la cercanía de los polos magnéticos. La fuerza magnética de un polo al otro aumenta
mucho debido a la concentración del campo magnético en un área más pequeña. los
dispositivos de medición eléctrica usan con bastante frecuencia imanes de
herradura.
CUIDADO
DE LOS IMANES
Una pieza de acero que ha sido
magnetizada puede perder gran parte de su magnetismo por un manejo inadecuado.
Si se
es sacudido o calentado, habrá una
desalineación de sus dominios que resultará en la pérdida de algo de su
magnetismo Si esta pieza de acero hubiera formado el imán de herradura de un medidor,
el medidor ya no sería operable o daría lecturas inexactas. Por lo tanto, se
debe tener cuidado al manipular instrumentos que contienen imanes Las sacudidas
severas o someter el instrumento a altas temperaturas dañarán el dispositivo
Un imán también puede debilitarse por
la pérdida de flujo. Por lo tanto, al almacenar imanes, uno debe siempre tratar
de evitar fugas excesivas de flujo magnético. Un imán de herradura siempre debe
almacenarse con un guardián, una barra de hierro suave utilizada para unir los polos
magnéticos. Al usar el guardián mientras el imán está siendo almacenado, el
flujo magnético circulará continuamente a través del imán y no se escapará al
espacio.
Cuando se almacenan imanes de barra,
se debe recordar el mismo principio. Por lo tanto, imanes de barra siempre debe
almacenarse en pares con un polo norte y un polo sur colocados juntos. Esto
proporciona un ruta completa para el flujo magnético sin ninguna fuga de flujo.
P 31.
¿Cómo se debe proteger un instrumento delicado de un campo magnético?
P 32.
¿Cómo deben almacenarse los imanes de barra?
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