Magnetismo

¿Qué es el magnetismo?

El magnetismo se define como el fenómeno físico por medio del cual ciertos materiales tienen la capacidad de atraer o repeler a otros materiales, basándose su origen en el movimiento de partículas cargadas el magnetismo forma parte de la fuerza electromagnética siendo una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Muchos de nosotros hemos experimentado con el magnetismo mediante el uso de imanes, un imán es un material que dispone de una alta capacidad magnética para atraer a materiales ferromagnéticos como el hierro, acero, níquel... así como de repeler o atraer a otros imanes, el origen de dichas fuerzas de atracción o repulsión magnética reside en la distribución a nivel atómico de los electrones que componen el imán.

Tal y como hemos descrito en la definición de magnetismo su origen físico reside en la existencia de partículas cargadas eléctricamente y en movimiento, por ello los electrones son considerados como pequeños imanes dado a que son partículas cargadas las cuales se mueven u orbitan alrededor del núcleo atómico así como giran sobre su propio eje de simetría (espín). Todos estos movimientos de los electrones crean pequeñas fuerzas magnéticas las cuales son responsables de la capacidad magnética de un material u otro.

Realmente todos los materiales son magnéticos lo que ocurre es que existen materiales que disponen de una distribución desigual de sus electrones anulándose las distintas fuerzas magnéticas originadas, por otro lado existen materiales que disponen de una gran cantidad de electrones distribuidos en una misma dirección de tal forma que las distintas fuerzas magnéticas orginadas se suman creando un efecto magnético a escala macroscópica.

Por otro lado cuando hacemos circular un flujo de electrones a través de una cable eléctrico, es decir aplicamos una corriente eléctrica, obtenemos magnetismo debido al movimiento de dichos electrones a través del cable, por lo que la electricidad y el magnetismo se encuentran estrechamente ligados siendo considerados a ambos como un único fenómeno físico conocido como electromagnetismo el cual junto con la gravedad, la nuclear débil y la nuclear fuerte componen las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Esta estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo hace que cualquier campo magnético lleve asociado un campo eléctrico y viceversa, el conocimiento de dichos fenómenos han permitido el desarrollo de generadores eléctricos mediante la rotación de imanes cerca de una bobina así como el desarrollo de los motores eléctricos los cuales mediante la aplicación de corriente eléctrica próxima a un imán producen un movimiento mecánico el cual puede ser aprovechado para mover por ejemplo las ruedas de una motocicleta.

Descubrimiento El fenómeno del magnetismo era conocido por antiguas civilizaciones como los fenicios, egipcios y persas entre otros, pero fue el filósofo griego Tales de Mileto en ser el primer testimonio escrito sobre este extraño fenómeno al afirmar que las magnetitas tenían alma al poder atraer partículas de hierro. Pero no fue hasta el año 1600 cuando el médico e investigador William Gilbert publicó su famoso libro "De Magnete" donde se recogía todas sus investigaciones científicas sobre el fenómeno del magnetismo. Willian Gilbert fue el primero en identificar a nuestro planeta Tierra como un gigantesco imán cuyos polos están próximos a los polos geográficos explicando la orientación de las brújulas apuntando al norte, por otro lado describió los fenómenos de imantación sobre otros materiales así como la influencia de la temperatura sobre las capacidades magnéticas. Posteriormente en el año 1820 el físico y químico danés Han Christian Oersted demostró la relación existente entre la electricidad y el magnetismo cuando al colocar un brújula imantada cerca de un alambre por donde fluía cierta corriente eléctrica observó como la brújula se movió y se colocó perpendicularmente al alambre, Oersted fue el primer científico en acuñar la palabra electromagnetismo. El gran físico experimentador y científico Michel Faraday profundizó sobre los experimentos de Oersted descubriendo la inducción electromagnética por medio de la cual desarrolló el primer motor eléctrico de la historia. En el año 1865 el matemático y físico James Clark Maxwell desarrolló las ecuaciones matemáticas que describían todos los fenómenos descubiertos y descritos anteriormente por Faraday y Oersted, gracias a la ecuaciones de Maxwell la teoría electromagnética revolucionó la física de aquella época al relacionar matemáticamente el magnetismo y la electricidad bajo una misma teoría y al predecir la existencia de ondas electromagnéticas las cuales fueron descubiertas por el físico Heinrich Hertz en 1888 siendo la base del desarrollo del mundo de las telecomunicaciones como la radio, la televisión o el teléfono. La tierra es un imán. Campo magnético terrestre.

Aplicaciones

La brújula fue uno de los primeros instrumentos en donde se utilizó una aguja magnetizada que apuntaba al norte magnético terrestre, ayudando a los navegantes y viajeros a explorar nuevos territorios y caminos.Como hemos dicho anteriormente el magnetismo forma parte de una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, sin ella no existiría la vida ni el universo tal y como lo conocemos. El núcleo de nuestro planeta genera un campo magnético protector que nos envuelve de norte a sur protegiéndonos de las peligrosas radiaciones cósmicas que nos llegan de todas partes del universo.

Gracias a los descubrimientos de Faraday y el conocimiento sobre el fenómeno electromagnético hemos podido desarrollar generadores de electricidad que producen la energía eléctrica necesaria para alimentar a todos los aparatos electrónicos que utilizamos diariamente, por otro lado hemos desarrollado los motores eléctricos utilizados en una amplia gama de máquinas y aparatos como ventiladores, bombas de extracción, electrodomésticos, ascensores, motocicletas, etc...

Trenes de levitación magnética, espectrómetros de masas, sistemas de almacenamiento de archivos digitales como los discos duros, resonancias magnéticas, detectores de metales, altavoces, micrófonos, clasificadores de materiales e incluso los aceleradores de partículas como el LHC basan su funcionamiento en el fenómeno del magnetismo.

Ahora que ya conoces lo que es el magnetismo, ¿sabías que existen en el universo las magnetoestrellas?, estas estrellas de neutrones altamente comprimidas disponen de los campos magnéticos más potentes de todo el universo, sin lugar a duda son los imanes más fuertes de todo el cosmos.

CAMPO MAGNETICO

CAMPO MAGENTICO:

• ¿Qué es el Campo magnético?

Es un material apunte en dirección a los puntos de fuerza magnética. Como aparece en el diagrama de la izquierda, la fuerza magnética está ilustrada mediante líneas que la representa. En el diagrama, la fuerza del imán apunta del polo positivo al polo negativo. Como se aprecia en esta imagen, a un lado del imán se le llama polo positivo y, a la cara opuesta, polo negativo; la fuerza magnética fluye del lado o polo positivo, en dirección al polo negativo.

• La fuerza magnética hace que los pequeños pedazos de hierro queden alineados y apunten en dirección al campo magnético. Un compás, en donde una aguja de material magnético está colocada de manera que quede libre, y pueda voltearse libremente, se verá forzada a apuntar hacia el polo positivo.

Como este dibujo:

                                                Atracción del Campo Magnético.

Repulsión del Campo Magnético.

 

MAGNETISMO TERRESTRE:

Es el campo magnético que se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta el límite en el que se encuentra con el viento solar; una corriente de partículas energéticas que emana del Sol.

• Se puede considerar en aproximación el campo creado por un dipolo magnético  inclinado un ángulo de 10 grados con respecto al eje de rotación (como un imán de barra). Sin embargo, al contrario que el campo de un imán, el campo de la Tierra cambia con el tiempo porque se genera por el movimiento de aleaciones de hierro fundido en el núcleo externo de la Tierra (la geo dinamo ). El polo norte magnético se desplaza, pero de una manera suficientemente lenta como para que las brújulas sean útiles en la navegación.

 

• Al cabo de ciertos periodos de duración aleatoria (con un promedio de duración de varios cientos de miles de años), el campo magnético de la Tierra se invierte (el polo norte y sur geomagnético permutan su posición). Estas inversiones dejan un registro en las rocas que permiten a los paleo magnetitas calcular la deriva de corrientes en el pasado y los fondos oceánicos resultado de la tectónica de placas.

 

 

• LA IMPORTACIA:

La Tierra está mayormente protegida del Viento solar, un flujo de partículas energéticas cargadas que emana del Sol , por su campo magnético, que desvía la mayor parte de las partículas cargadas. Estas partículas destruirían la Capa de Ozono, que protege a la Tierra de dañinos rayos ultravioletas,El cálculo de la pérdida de dióxido de carbono de la atmósfera de Marte, que resultó en la captura de iones del viento solar  es consistente con la pérdida casi total de su atmósfera consecuencia del apagado del campo magnético del planeta.

 

 

Magnetismo en nuestra tierra.

 

• El campo magnético esta relacionado con varios fenómenos de la naturaleza : por ejemplo están imagen que pueden observar , palomas mensajeras y las rayas emplean esta fuerza magnética para orientarse . como recordaras , también la formación de las autoras boreales, así como las tormentas magnéticas generadas por el sol, depende del magnetismo terrestre.



TIPOS DE IMANES

 

Bloque IV:

Relacionas la electricidad con el magnetismo

Tipos de imanes:

 

Existen dos tipos de imanes; por un lado , los naturales, que se fabrican de piedra imán o magnética , que es en realidad un óxido de hierro , y por otro los artificiales que son creados industriales a partir de alguna aleación de metales, o de hierro dulce.

• LOS IMANES NATURALES:

Tienen la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas. Su característica de atrae hierros es natural y no es influida por los seres humanos.
Están compuestos por el oxido de hierro
son aquellos que se encuentran en la Tierra y que atraen al hierro. Denominados magnetita , hoy sabemos que es hierro cristalino Fe3O4. Pero también la Tierra es un imán natural.

• ARTIFICIALES:

Son las sustancias magnéticas que al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes y conservan durante mucho tiempo su propiedad de atracción. Son cuerpos que han sido imanados en forma artificial. El hierro y el acero pueden ser magnetizados. El acero se magnetiza permanentemente, como comprobaste con la aguja; lo mismo sucede con las tijeras: si la dejas en contacto con el imán durante un rato, se magnetizará nicas que al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes & conservan durante mucho tiempo su propiedad de atracción.

Nos prometimos que entre nosotros nunca habrá un adiós, pero si algún día debes partir, sólo di “hasta luego” porque nuestra amistad jamás tiene porqué perderse…

• PROPIEDADES

Los imanes poseen dos zonas en las que se concentra la fuerza que ejercen, estas zonas son los extremos del imán y reciben el nombre de polos magnéticos, norte y sur. Los polos del mismo nombre se repelen y los polos opuestos se atraen. Compruébalo.



 

¿POR QUE SON IMPORTANTES SABER SOBRE LOS IMANES?

 

En nuestra vida ya que desde su utilización poco complicada como lo es usarlos para detener notas en nuestro refrigerador, son usados en muchas más cosas que utilizamos en nuestra vida diaria como los motores que están presentes en muchos de nuestros métodos de transporte como los automóviles, las motos, etc.
También engrandes industrias son usados electroimanes para poder mover grandes cosas que no podrían ser movidas por personas físicamente.

 

 

Ley de Joule

LEY DE JOULE

La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra.

Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor el movimiento de los electrones dentro del mismo produce choques con los átomos del conductor cuando adquieren velocidad constante, lo que hace que parte de la energía cinética de los electrones se convierta en calor, con un consiguiente aumento en la temperatura del conductor. Mientras más corriente fluya mayor será el aumento de la energía térmica del conductor y por consiguiente mayor será el calor liberado. A este fenómeno se le conoce como efecto joule.

El calor producido por la corriente eléctrica que fluye través de un conductor es una medida del trabajo hecho por la corriente venciendo la resistencia del conductor; la energía requerida para este trabajo es suministrada por una fuente, mientras más calor produzca mayor será el trabajo hecho por la corriente y por consiguiente mayor será la energía suministrada por la fuente; entonces, determinando cuanto calor se produce se puede determinar cuanta energía suministra la fuente y viceversa.

El calor generado por este efecto se puede calcular mediante la ley de joule que dice que:

 “La cantidad de calor que desarrolla una corriente eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo que dura la corriente”.

Expresado como fórmula tenemos:

Donde:

W = Cantidad de calor, en Joules

I = Intensidad de la corriente, en Amperes

R = Resistencia eléctrica, en Ohms

T = Tiempo de duración que fluye la corriente, en segundos

Lo que equivale a la ecuación para la energía eléctrica, ya que la causa del efecto joule es precisamente una pérdida de energía manifestada en forma de calor.

Normalmente cuando el trabajo eléctrico se manifiesta en forma de calor se suele usar la caloría como unidad. El número de calorías es fácil de calcular sabiendo que:

1 joule = 0,24 calorias (equivalente calorífico del trabajo)

1 caloria = 4,18 joules (equivalente mecánico del calor)

Por lo que la ley de joule queda expresada como:

Ejercicio: 
Por una secadora de pelo circula una corriente de 10 Amper y tiene una bobina calefactora con resistencia igual a 22 ohmnios. Calcule el calor disipado en 2 minutos. 

Solución. Por la ley de Joule - Lenz se cumple que: 

Q = I ² x R x t → Q = (10A)² x ( 22 ohm) x ( 120 s) 

Q = (100)(22)(120) Joules → Q = 264000 Joules 

Potencia electrica

¿Que es?

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.

Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.

CÁLCULO DE LA POTENCIA DE UNA CARGA ACTIVA (RESISTIVA)

La forma más simple de calcular la potencia que consume una carga activa o resistiva conectada a un circuito eléctrico es multiplicando el valor de la tensión en volt (V) aplicada por el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre, expresada en amper. Para realizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente fórmula:

(Fórmula 1)

El resultado de esa operación matemática para un circuito eléctrico monofásico de corriente directa o de corriente alterna estará dado en watt (W). Por tanto, si sustituimos la “P” que identifica la potencia por su equivalente, es decir, la “W” de watt, tenemos también que: P = W, por tanto,

Si ahora queremos hallar la intensidad de corriente ( I ) que fluye por un circuito conociendo la potencia en watt que posee el dispositivo que tiene conectado y la tensión o voltaje aplicada, podemos despejar la fórmula anterior de la siguiente forma y realizar la operación matemática correspondiente:

(Fórmula 2)

Si observamos la fórmula 1 expuesta al inicio, veremos que el voltaje y la intensidad de la corriente que fluye por un circuito eléctrico, son directamente proporcionales a la potencia, es decir, si uno de ellos aumenta o disminuye su valor, la potencia también aumenta o disminuye de forma proporcional. De ahí se deduce que, 1 watt (W) es igual a 1 ampere de corriente ( I ) que fluye por un circuito, multiplicado por 1 volt (V) de tensión o voltaje aplicado, tal como se representa a continuación.

1 watt = 1 volt · 1 ampere

Veamos, por ejemplo, cuál será la potencia o consumo en watt de una bombilla conectada a una red de energía eléctrica doméstica monofásica de 220 volt, si la corriente que circula por el circuito de la bombilla es de 0,45 ampere. Sustituyendo los valores en la fórmula 1 tenemos: P = V · I P = 220 · 0,45 P = 100 watt Es decir, la potencia de consumo de la bombilla será de 100 W . De igual forma, si queremos hallar la intensidad de la corriente que fluye por la bombilla conociendo su potencia y la tensión o voltaje aplicada al circuito, podemos utilizar la fórmula 2, que vimos al principio. Si realizamos la operación utilizando los mismos datos del ejemplo anterior, tendremos:

De acuerdo con esta fórmula, mientras mayor sea la potencia de un dispositivo o equipo eléctrico conectado a un circuito consumiendo energía eléctrica, mayor será la intensidad de corriente que fluye por dicho circuito, siempre y cuando el valor del voltaje o tensión se mantenga constante. La unidad de consumo de energía de un dispositivo eléctrico se mide en watt-hora (vatio-hora), o en kilowatt-hora (kW-h) para medir miles de watt. Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y el hogar, en lugar de facturar el consumo en watt-hora, lo hacen en kilowatt-hora (kW-h). Si, por ejemplo, tenemos encendidas en nuestra casa dos lámparas de 500 watt durante una hora, el reloj registrador del consumo eléctrico registrará 1 kW-h consumido en ese período de tiempo, que se sumará a la cifra del consumo anterior. Una bombilla de 40 W consume o gasta menos energía que otra de 100 W. Por eso, mientras más equipos conectemos a la red eléctrica, mayor será el consumo y más dinero habrá que abonar después a la empresa de servicios a la que contratamos la prestación del suministro de energía eléctrica. Para hallar la potencia de consumo en watt de un dispositivo, también se pueden utilizar, indistintamente, una de las dos fórmulas que aparecen a continuación:

En el primer caso, el valor de la potencia se obtiene elevando al cuadrado el valor de la intensidad de corriente en ampere (A) que fluye por el circuito, multiplicando a continuación ese resultado por el valor de la resistencia en ohm () que posee la carga o consumidor conectado al propio circuito. En el segundo caso obtenemos el mismo resultado elevando al cuadrado el valor del voltaje de la red eléctrica y dividiéndolo a continuación por el valor en ohm () que posee la resistencia de la carga conectada.

Placa colocada al costado de un motor monofásico de corriente alterna, donde  aparece, entre  otros<datos, su potencia en kilowatt (kW), o en C.V. (H.P.).

El consumo en watt (W) o kilowatt (kW) de cualquier carga, ya sea ésta una resistencia o un consumidor cualquiera de corriente conectado a un circuito eléctrico, como pudieran ser motores, calentadores, equipos de aire acondicionado, televisores u otro dispositivo similar, en la mayoría de los casos se puede conocer leyéndolo directamente en una placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los motores esa placa se halla colocada en uno de sus costados y en el caso de las bombillas de alumbrado el dato viene impreso en el cristal o en su base. CÁLCULO DE LA POTENCIA DE CARGAS REACTIVAS (INDUCTIVAS) Para calcular la potencia de algunos tipos de equipos que trabajan con corriente alterna, es necesario tener en cuenta también el valor del factor de potencia o coseno de “phi” (Cos ) que poseen. En ese caso se encuentran los equipos que trabajan con carga reactiva o inductiva, es decir, consumidores de energía eléctrica que para funcionar utilizan una o más bobinas o enrollado de alambre de cobre, como ocurre, por ejemplo, con los motores. Las resistencias puras, como la de las bombillas de alumbrado incandescente y halógena, y los calentadores eléctricos que emplean resistencia de alambre nicromo (NiCr), tienen carga activa o resistiva y su factor de potencia es igual a “1”, que es el valor considerado ideal para un circuito eléctrico; por tanto ese valor no se toma en cuenta a la hora de calcular la potencia de consumo de esos dispositivos. Sin embargo, las cargas reactivas o inductivas, como la que poseen los motores eléctricos, tienen un factor de potencia menor que “1” (generalmente su valor varía entre 0,85 y 0,98), por lo cual la eficiencia de trabajo del equipo en cuestión y de la red de suministro eléctrico varía cuando el factor se aleja mucho de la unidad, traduciéndose en un mayor gasto de energía y en un mayor desembolso económico. No obstante, tanto las industrias que tiene muchos motores eléctricos de corriente alterna trabajando, así como las centrales eléctricas,  tratan siempre que el valor del factor de potencia, llamado también coseno de “fi” (Cos ), se acerque lo más posible a la unidad en los equipos que consumen carga eléctrica reactiva. Normalmente el valor correspondiente al factor de potencia viene señalado en una placa metálica junto con otras características del equipo.  En los motores eléctricos esa placa se encuentra situada generalmente en uno de los costados, donde aparecen también otros datos de importancia, como el consumo eléctrico en watt (W), voltaje de trabajo en volt (V), frecuencia de la corriente en hertz (Hz), amperaje de trabajo en ampere (A), si es monofásico o trifásico y las revoluciones por minuto (rpm o min-1) que desarrolla. La fórmula para hallar la potencia de los equipos que trabajan con corriente alterna monofásica, teniendo en cuenta su factor de potencia o Cos  es la siguiente: De donde: P  .- Potencia en watt (W) V  .- Voltaje o tensión aplicado en volt (V)  I  .- Valor de la corriente en amper (A) Cos   .- Coseno de "fi" (phi) o factor de potencia (menor que "1") Si queremos conocer la potencia que desarrolla un motor eléctrico monofásico, cuyo consumo de corriente es de 10,4 amper (A), posee un factor de potencia o Cos  = 0,96 y está conectado a una red eléctrica de corriente alterna también monofásica, de 220 volt (V), sustituyendo estos valores en la fórmula anterior tendremos: P = 220 • 10,4 • 0,96 = 2196,48 watt Como vemos, la potencia de ese motor eléctrico será de 2 196,48 watt. Si convertimos a continuación los watt obtenidos como resultado en kilowatt dividiendo esa cifra entre 1 000, tendremos: 2196,48 ÷ 1000 = 2,2 kW aproximadamente. Múltiplos y submúltiplos de la potencia en watt Múltiplos kilowatt (kW) = 103 watt = 1 000 watt kilowatt-hora (kW-h) – Trabajo realizado por mil watt de potencia en una hora. Un kW-h es igual a 1 000 watt x 3 600 segundos, o sea, 3 600 000 joule (J). Submúltiplos miliwatt (mW) = 10-3 watt = 0,001 watt microwatt (W) = 10-6 watt = 0,000 001 watt Caballo de fuerza (HP) o caballo de Vapor (C.V.) Los países anglosajones utilizan como unidad de medida de la potencia el caballo de vapor (C.V.) o Horse Power (H.P.) (caballo de fuerza). 1 H.P. (o C.V.) = 736 watt = 0,736 kW 1 kW = 1 / 0,736 H.P. = 1,36 H.P. EJERCICIOS RESUELTOS DE POTENCIA Y ENERGÍA 1) Una batería de automóvil de 12 V de fem proporciona 7,5 A al encender las luces delanteras. Cuando el conductor opera el motor de arranque con las luces encendidas, la corriente total llega a 40 A. Calcule la potencia eléctrica en ambos casos. Resolución: datos: fem = 12 V i1 = 7,5 A i2 = 40 A P1 = V.i1 Þ P1 = 12 V.7,5 A Þ P1 = 90 W P2 = V.i2 Þ P2 = 12 V.40 A Þ P1 = 480 W 2) Una pila cuesta 2,00 €. Su tensión es de 1,5 V y puede entregar 2 A durante 6 horas, calcule: a) La potencia. b) La energía. c) El costo de cada kWh. Resolución: datos: i = 2 A V = 1,5 V c pila =  2,00 € t = 6 h = 21600 s a) P = V.i Þ P = 1,5 V.2 A Þ P = 3 W b) E = P.t Þ E = 3 W.21600 s Þ E = 64800 J = 0,018 kW.h c) Costo = c pila/E Þ Costo = 2,00€ / 0,018 kW.h Þ Costo = 111,11 $/kW.h