Magnetismo y Electromagnetismo
Imanes naturales y artificiales
Entre los minerales de hierro extraídos para la industria metalúrgica se encuentra un mineral llamado mineral de hierro magnético. Este mineral tiene la propiedad de atraer hacia sí los objetos de hierro.
Una pieza de tal mineral de hierro se llama imán natural, y la propiedad de atracción que exhibe es el magnetismo.
Hoy en día, el fenómeno del magnetismo se utiliza de forma muy extendida en diversas instalaciones eléctricas. Sin embargo, ahora no usan imanes naturales, sino los llamados imanes artificiales.
Los imanes artificiales están hechos de aceros especiales. Una pieza de dicho acero se magnetiza de una manera especial, después de lo cual adquiere propiedades magnéticas, es decir, se convierte en imán permanente.
La forma de los imanes permanentes puede ser muy diversa, dependiendo de su finalidad.
En un imán permanente, solo sus polos tienen fuerzas gravitatorias. Se acuerda que el extremo del imán que mira hacia el norte se llama imán del polo norte, y el extremo que mira hacia el sur es el imán del polo sur. Todo imán permanente tiene dos polos: norte y sur. El polo norte de un imán se indica con la letra C o N, el polo sur con la letra Yu o S.
El imán atrae hacia sí hierro, acero, hierro fundido, níquel y cobalto. Todos estos cuerpos se denominan cuerpos magnéticos. Todos los demás cuerpos que no son atraídos por un imán se denominan cuerpos no magnéticos.
La estructura del imán. Magnetización
Cada cuerpo, incluido el magnético, consta de las partículas más pequeñas: moléculas. A diferencia de las moléculas de los cuerpos no magnéticos, las moléculas de un cuerpo magnético tienen propiedades magnéticas, representando imanes moleculares. Dentro de un cuerpo magnético, estos imanes moleculares están dispuestos con sus ejes en diferentes direcciones, con el resultado de que el cuerpo en sí no exhibe ninguna propiedad magnética. Pero si estos imanes son forzados a girar alrededor de sus ejes de modo que sus polos norte giren en una dirección y sus polos sur en la otra, entonces el cuerpo adquirirá propiedades magnéticas, es decir, se convertirá en un imán.
El proceso por el cual un cuerpo magnético adquiere las propiedades de un imán se llama magnetización... En la producción de imanes permanentes, la magnetización se lleva a cabo con la ayuda de una corriente eléctrica. Pero puedes magnetizar el cuerpo de otra manera, usando un imán permanente ordinario.
Si se corta un imán rectilíneo a lo largo de una línea neutra, se obtendrán dos imanes independientes, se conservará la polaridad de los extremos del imán y aparecerán polos opuestos en los extremos obtenidos como resultado del corte.
Cada uno de los imanes resultantes también se puede dividir en dos imanes, y por mucho que sigamos con esta división, siempre obtendremos imanes independientes con dos polos. Es imposible obtener una barra con un polo magnético. Este ejemplo confirma la posición de que el cuerpo magnético consta de muchos imanes moleculares.
Los cuerpos magnéticos se diferencian entre sí por el grado de movilidad de los imanes moleculares. Hay cuerpos que se magnetizan rápidamente y se desmagnetizan con la misma rapidez. Por el contrario, hay cuerpos que magnetizan lentamente pero conservan sus propiedades magnéticas durante mucho tiempo.
Entonces, el hierro se magnetiza rápidamente bajo la acción de un imán externo, pero se desmagnetiza con la misma rapidez, es decir, pierde sus propiedades magnéticas cuando se retira el imán.El acero, después de ser magnetizado, conserva sus propiedades magnéticas durante mucho tiempo, es decir , se convierte en un imán permanente.
La propiedad del hierro para magnetizarse y desmagnetizarse rápidamente se explica por el hecho de que los imanes moleculares de hierro son extremadamente móviles, giran fácilmente bajo la influencia de fuerzas magnéticas externas, pero vuelven rápidamente a su posición desordenada anterior cuando el cuerpo magnetizante está eliminado
En el hierro, sin embargo, una pequeña proporción de los imanes, y después de la eliminación del imán permanente, permanecen todavía durante algún tiempo en la posición que ocupaban en el momento de la magnetización. Por lo tanto, después de la magnetización, el hierro retiene propiedades magnéticas muy débiles. Esto se confirma por el hecho de que cuando se quitó la placa de hierro del polo del imán, no todo el aserrín cayó de su extremo, sino que una pequeña parte quedó atraída por la placa.
La propiedad del acero de permanecer magnetizado durante mucho tiempo se explica por el hecho de que los imanes moleculares de acero apenas giran en la dirección deseada durante la magnetización, pero conservan su posición estable durante mucho tiempo incluso después de retirar el cuerpo magnetizante.
La capacidad de un cuerpo magnético para exhibir propiedades magnéticas después de la magnetización se denomina magnetismo residual.
El fenómeno del magnetismo residual se debe al hecho de que en un cuerpo magnético existe una llamada fuerza de retardo que mantiene los imanes moleculares en la posición que ocupan durante la magnetización.
En el hierro, la acción de la fuerza retardadora es muy débil, con el resultado de que se desmagnetiza rápidamente y tiene muy poco magnetismo residual.
La propiedad del hierro de magnetizarse y desmagnetizarse rápidamente se utiliza mucho en la ingeniería eléctrica. Baste decir que los núcleos de cada electroimaneslos que se utilizan en los dispositivos eléctricos están hechos de hierro especial con un magnetismo residual extremadamente bajo.
El acero tiene un gran poder de retención, por lo que se conserva la propiedad del magnetismo. es por eso magnetos permanentes están hechos de aleaciones especiales de acero.
Las propiedades de los imanes permanentes se ven afectadas negativamente por choques, impactos y fluctuaciones repentinas de temperatura. Si, por ejemplo, un imán permanente se calienta al rojo y luego se deja enfriar, perderá por completo sus propiedades magnéticas. Del mismo modo, si sometes un imán permanente a golpes, su fuerza de atracción disminuirá significativamente.
Esto se explica por el hecho de que con fuertes calentamientos o choques, se vence la acción de una fuerza de retardo y, por lo tanto, se altera la disposición ordenada de los imanes moleculares. Por lo tanto, los imanes permanentes y los dispositivos de imanes permanentes deben manipularse con cuidado.
Líneas de fuerza magnéticas. Interacción de los polos de los imanes.
Alrededor de cada imán hay un llamado campo magnético.
Un campo magnético se llama el espacio en el que las fuerzas magnéticas... El campo magnético de un imán permanente es esa parte del espacio en el que actúan los campos de un imán rectilíneo y las fuerzas magnéticas de este imán.
Las fuerzas magnéticas del campo magnético actúan en ciertas direcciones... Las direcciones de acción de las fuerzas magnéticas acordaron llamarse líneas de fuerza magnéticas... Este término es ampliamente utilizado en el estudio de la ingeniería eléctrica, pero debe recordarse que las líneas de fuerza magnéticas no son materiales: este es un término convencional introducido solo para facilitar la comprensión de las propiedades del campo magnético.
La forma del campo magnético, es decir, la ubicación de las líneas del campo magnético en el espacio, depende de la forma del propio imán.
Las líneas de campo magnético tienen una serie de propiedades: siempre están cerradas, nunca se cruzan, tienden a tomar el camino más corto y se repelen entre sí si apuntan en la misma dirección. Generalmente se acepta que las líneas de fuerza salen del polo norte. del imán y entrar en su polo sur; dentro del imán, tienen una dirección desde el polo sur hacia el norte.
Los polos magnéticos iguales se repelen, los polos magnéticos diferentes se atraen.
Es fácil convencerse de la corrección de ambas conclusiones en la práctica. Tome una brújula y llévela a uno de los polos de un imán rectilíneo, por ejemplo, el polo norte. Verás que la flecha girará instantáneamente su extremo sur hacia el polo norte del imán. Si gira rápidamente el imán 180 °, la aguja magnética girará inmediatamente 180 °, es decir, su extremo norte mirará hacia el polo sur del imán.
Inducción magnética. Flujo magnético
La fuerza de acción (atracción) de un imán permanente sobre un cuerpo magnético disminuye a medida que aumenta la distancia entre el polo del imán y este cuerpo. Un imán exhibe la mayor fuerza de atracción directamente en sus polos, es decir, exactamente donde las líneas de fuerza magnética están ubicadas con mayor densidad. Al alejarse del polo, la densidad de las líneas de fuerza disminuye, se encuentran cada vez con menos frecuencia, junto con esto, la fuerza de atracción del imán también se debilita.
Así, la fuerza de atracción de un imán en diferentes puntos del campo magnético no es la misma y se caracteriza por la densidad de las líneas de fuerza. Para caracterizar el campo magnético en sus varios puntos, se introduce una cantidad llamada inducción de campo magnético.
La inducción magnética del campo es numéricamente igual al número de líneas de fuerza que atraviesan un área de 1 cm2, situadas perpendicularmente a su dirección.
Esto significa que cuanto mayor sea la densidad de las líneas de campo en un punto dado del campo, mayor será la inducción magnética en ese punto.
El número total de líneas de fuerza magnéticas que pasan a través de cualquier región se denomina flujo magnético.
El flujo magnético se denota con la letra F y se relaciona con la inducción magnética a través de la siguiente relación:
Ф = BS,
donde F es el flujo magnético, V es la inducción magnética del campo; S es el área penetrada por un flujo magnético dado.
Esta fórmula es válida solo si el área S es perpendicular a la dirección del flujo magnético. De lo contrario, la magnitud del flujo magnético también dependerá del ángulo en el que se encuentre el área S, y luego la fórmula tomará una forma más compleja.
El flujo magnético de un imán permanente está determinado por el número total de líneas de fuerza que atraviesan la sección transversal del imán.Cuanto mayor es el flujo magnético de un imán permanente, más atractivo es ese imán.
El flujo magnético de un imán permanente depende de la calidad del acero del que está hecho el imán, el tamaño del propio imán y el grado de magnetización.
Permeabilidad magnética
La propiedad de un cuerpo de permitir el flujo magnético a través de sí mismo se llama permeabilidad magnética... Es más fácil que el flujo magnético pase a través del aire que a través de un cuerpo no magnético.
Ser capaz de comparar diferentes sustancias según su permeabilidad magnética, se acostumbra considerar que la permeabilidad magnética del aire es igual a la unidad.
Se llaman sustancias con permeabilidad magnética menor que la unidad diamagnética... Incluyen cobre, plomo, plata, etc.
Aluminio, platino, estaño, etc. Tienen una permeabilidad magnética ligeramente superior a la unidad y se denominan sustancias paramagnéticas.
Las sustancias con una permeabilidad magnética mucho mayor que uno (medida en miles) se denominan ferromagnéticas. Estos incluyen níquel, cobalto, acero, hierro, etc. A partir de estas sustancias y sus aleaciones se fabrican todo tipo de dispositivos magnéticos y electromagnéticos y partes de diversas máquinas eléctricas.
De interés práctico para las tecnologías de la comunicación son las aleaciones especiales de hierro y níquel llamadas permaloid.