FUERZA MAGNETICA

La fuerza magnética es la parte de la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz que mide

un observador sobre una distribución de cargas en movimiento. Las fuerzas magnéticas son

producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la

estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo.

Las fuerzas magnéticas entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza

magnética entre cargas en movimiento. Esto sucede porque en el interior de los imanes

convencionales existen microcorrientes que macroscópicamente dan lugar a líneas de campo

magnético cerradas que salen del material y vuelven a entrar en él. Los puntos de entrada forman

un polo y los de salida el otro polo.

Un conductor es un hilo o alambre por el cual circula una corriente eléctrica. Una corriente eléctrica es un conjunto de cargas eléctricas en movimiento. Ya que un campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre una carga en movimiento, es de esperar que la resultante de las fuerza sobre cada carga resulte en una fuerza lateral sobre un alambre por el que circula una corriente eléctrica.

En la figura se muestra un tramo de alambre de longitud   que lleva una corriente   y que está

colocado en uncampo magnético   Para simplificar se ha orientado el vector densidad de

corriente   de tal manera que sea perpendicular a  .

La corriente   en un conductor rectilíneo es transportada por electrones libres, siendo   el número

de estos electrones por unidad de volumen del alambre. La magnitud de la fuerza media que obra

en uno de estos electrones está dada por;

por ser   y siendo   la velocidad de arrastre:  . Por lo tanto,

La longitud   del conductor contiene   electrones libres, siendo   el volumen de la sección de

conductor de sección transversal   que se está considerando. La fuerza total sobre los electrones

libres en el conductor y, por consiguiente, en el conductor mismo, es:

Ya que   es la corriente   en el conductor, se tiene:

Las cargas negativas que se mueven hacia la derecha en el conductor equivalen a cargas positivas

moviéndose hacia la izquierda, esto es, en la dirección de la flecha verde. Para una de estas

cargas positivas, la velocidad   apuntaría hacia la izquierda y la fuerza sobre el

conductor   apunta hacia arriba saliendo del plano de la figura. Esta misma

conclusión se deduce si se consideran los portadores de carga negativos reales para los cuales   

apunta hacia la derecha, pero   tiene signo negativo. Así pues, midiendo la fuerza magnética

lateral que obra sobre un conductor con corriente y colocado en un campo magnético, no es

posible saber si los portadores de corriente son cargas negativas moviéndose en una dirección o

cargas positivas que se mueven en dirección opuesta.

La ecuación anterior es válida solamente si el conductor es perpendicular a  . Es posible expresar

el caso más general en forma vectorial así:

siendo   un vector (recorrido) que apunta a lo largo del conductor en la dirección de la corriente.

Esta ecuación es equivalente a la relación   y cualquiera de las dos puede tomarse como

ecuación de definición de 

Obsérvese que   (no representado en la figura) apunta hacia la izquierda y que la fuerza

magnética   apunta hacia arriba saliendo del plano de la figura.

Esto concuerda con la conclusión a que se llegó al analizar las fuerzas que obran en los portadores

de carga individuales

Un conductor es un hilo o alambre por el cual circula una corriente eléctrica. Una corriente eléctrica

es un conjunto de cargas eléctricas en movimiento. Ya que un campo magnético ejerce una fuerza

lateral sobre una carga en movimiento, es de esperar que la resultante de las fuerza sobre cada

carga resulte en una fuerza lateral sobre un alambre por el que circula una corriente eléctrica.

[editar]Conductor rectilíneo

Tramo de un conductor rectilíneo de longitud l, que transporta una intensidad i y colocado en un campo magnético B

En la figura se muestra un tramo de alambre de longitud   que lleva una corriente   y que está

colocado en uncampo magnético   Para simplificar se ha orientado el vector densidad de

corriente   de tal manera que sea perpendicular a  .

La corriente   en un conductor rectilíneo es transportada por electrones libres, siendo   el número

de estos electrones por unidad de volumen del alambre. La magnitud de la fuerza media que obra

en uno de estos electrones está dada por;

por ser   y siendo   la velocidad de arrastre:  . Por lo tanto,

La longitud   del conductor contiene   electrones libres, siendo   el volumen de la sección de

conductor de sección transversal   que se está considerando. La fuerza total sobre los electrones

libres en el conductor y, por consiguiente, en el conductor mismo, es:

Ya que   es la corriente   en el conductor, se tiene:

Las cargas negativas que se mueven hacia la derecha en el conductor equivalen a cargas positivas

moviéndose hacia la izquierda, esto es, en la dirección de la flecha verde. Para una de estas

cargas positivas, la velocidad   apuntaría hacia la izquierda y la fuerza sobre el

conductor   apunta hacia arriba saliendo del plano de la figura. Esta misma

conclusión se deduce si se consideran los portadores de carga negativos reales para los cuales   

apunta hacia la derecha, pero   tiene signo negativo. Así pues, midiendo la fuerza magnética

lateral que obra sobre un conductor con corriente y colocado en un campo magnético, no es

posible saber si los portadores de corriente son cargas negativas moviéndose en una dirección o

cargas positivas que se mueven en dirección opuesta.

La ecuación anterior es válida solamente si el conductor es perpendicular a  . Es posible expresar

el caso más general en forma vectorial así:

siendo   un vector (recorrido) que apunta a lo largo del conductor en la dirección de la corriente.

Esta ecuación es equivalente a la relación   y cualquiera de las dos puede tomarse como

ecuación de definición de 

Obsérvese que   (no representado en la figura) apunta hacia la izquierda y que la fuerza

magnética   apunta hacia arriba saliendo del plano de la figura.

Esto concuerda con la conclusión a que se llegó al analizar las fuerzas que obran en los portadores

de carga individuales

[editar]Conductor no rectilíneo

Si se considera solamente un elemento diferencial de un conductor de longitud  , la fuerza   

puede encontrarse mediante la expresión

Considérese, por ejemplo, un alambre de la forma mostrada en la figura, que lleva una corriente i y

se encuentra en el seno de un campo magnético uniforme de inducción magnética   saliendo del

plano de la figura tal como lo muestran los puntos. La magnitud de la fuerza sobre cada tramo recto

está dada por:

y apunta hacia abajo tal como lo muestran los vectores coloreados de verde. Un segmento de

alambre de longitud   en el arco experimenta una fuerza   cuya magnitud es:

y cuya dirección es radial hacia O, que es el centro del arco. Solamente la componente hacia abajo

de esa fuerza es efectiva, porque la componente horizontal es anulada por una componente

directamente opuesta proveniente del correspondiente segmento de arco a la derecha de O. En

consecuencia, la fuerza total sobre el semicírculo de alambre alrededor de O apunta hacia abajo y

es:

Entonces, la fuerza total será:

Es interesante notar que esta fuerza es la misma que obraría sobre un alambre recto de

longitud 

Inicialmente se trató de modelizar la fuerza magnética entre imanes naturales por una expresión

del tipo:

(a)

Donde:

 son las "masas magnéticas" o "cargas magnéticas" que dependerían del tamaño

de los imanes.

 la distancia media entre los polos.

Sin embargo, la anterior expresión sólo resulta útil para casos con imanes con formas

geométricas sencillas que permitan identificar los polos y que se encuentren

convenientemente alineados. Otros dos problemas aún más serios son que la forma

anterior no es fácilmente generalizable a polos desalineados, ni tampoco parece fácil

calcular el valor de la "masa magnética" a partir de las características microscópicas del

material.

El carácter complejo de la "masa magnética" se refleja entre otras cosas en el hecho de

que se ve afectado por la temperatura, un material ferromagnético normal deja de ser

magnético a una temperatura superior a la temperatura de Curie. Lo cual refleja que el

efecto magnético de los imanes no es una propiedad intrínseca sino un efecto

dependiendo de la agitación térmica de los átomos y electrones que configuran

internamente el material.

La fuerza entre dos imanes puede calcualrse exactamente si se conoce la densidad de

corriente equivalente en el interior de los mismos mediante la expresión:

(b)

Donde:

, son las densidades de corriente en cada uno de los imanes.

, son los vectores directores sobre puntos del interior de cada uno de los dos

imanes.

, son los volúmenes ocupados por los dos imanes.

 es la permeabilidad magnética.

Comparando (a) con (b) puede verse que los valores de   depende

de una manera muy compleja de la distribuición interna de las corrientes

en los dos imanes. Para distancias grandes comparadas con el tamaño

de los imanes la fuerza dada por (b) puede aproximarse por la fuerza

entre dos dipolos magnéticos:

(c)

Donde:

, son los momentos dipolares magnéticos de los imanes que son vectores

alineados con la línea que va desde el polo sur al polo norte del imán.

, son el vector de posición relativa y la distancia entre los imanes.

Para dos imanes alineados esta fuerza resulta ser:

Si los dos momentos están alineados

paralelamente   (lo cual corresponde a que los

dos polos de diferente signo estén más próximos) la fuerza es

atractiva, en cambio si los imanes están alineados

antiparalelamente (con lo cual dos polos del mismo signo serán

los más próximos) la fuerza es repulsiva.

MAGNETISMO

El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o

repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado

propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y

sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos,

de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos

componentes de la radiación electromagnética, como por ejemplo, la luz.

Piedras «Magnesia y Magnet» (de magnesiaco, magnetismo, magnetizar) del gr. magnees

(tierra, metal y oxido) procedentes de magneesia ciudad de Tesalia.

«Imán», del griego, adamas, adamantos (diamante, acero) de «a» (privativa, prefijo de

contariedad o de negacion) y damaoo (quemar). Fig. piedra dura que no se puede o no se

debiera quemar, calentar, pues los griegos debieron conocer que el calor destruye el

magnetismo.

Del latín magnes, -ētis, imán.

Estas piedras eran también conocidas desde antiguo como «piedras calamitas» llamadas

vulgarmente en Europa «yman» o «magnete, ematite siderita y heraclion».

Véanse también: Magnesia del Meandro y Magnesia del Sipilos.

Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán (véase momento dipolar

magnético electrónico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados

aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a

orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo

del número de electrones que estén orientados.

Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el

campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es

análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina (ver dipolo

magnético). De nuevo, en general el movimiento de los electrones no da lugar a un campo

magnético en el material, pero en ciertas condiciones los movimientos pueden alinearse y producir

un campo magnético total medible.

El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y,

particularmente, de la configuración electrónica.

Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez

se observaron en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el término

magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro, y que los trocitos de hierro atraídos

atraían a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales.[cita requerida]

El primer filósofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que

vivió entre 625 a. C. y 545 a. C.1 En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en

un manuscrito del siglo IV a. C. titulado Libro del amo del valle del diablo: «La magnetita atrae al

hierro hacia sí o es atraída por éste».2 La primera mención sobre la atracción de una aguja aparece

en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae a la aguja».

El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la

precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo

XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para

mejorar la navegación. Alexander Neckham fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta

técnica en 1187.

El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans

Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor

sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que

llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese entorno.3 Muchos otros experimentos

siguieron con André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday y otros que encontraron

vínculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y explicó estas

observaciones en sus ecuaciones de Maxwell. Unificó el magnetismo y la electricidad en un solo

campo, el electromagnetismo. En 1905,Einstein usó estas leyes para comprobar su teoría de

la relatividad especial,4 en el proceso mostró que la electricidad y el magnetismo estaban

fundamentalmente vinculadas.

El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, por ejemplo, una corriente

eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, éste al girar imparte una fuerza

magnética a otras partículas que están en el campo.

Para una aproximación excelente (pero ignorando algunos efectos cuánticos,

véase electrodinámica cuántica) las ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de Biot-

Savart en el caso de corriente constante) describen el origen y el comportamiento de los campos

que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se observa siempre que partículas

cargadas eléctricamente están en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en

una corriente eléctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo

atómico. Estas también aparecen de un dipolo magnético intrínseco que aparece de los efectos

cuánticos, por ejemplo del spin de la mecánica cuántica.

La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en

un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético

causa sus efectos creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de

un campo magnético B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz:

donde   es la carga eléctrica de la partícula,   es el vector velocidad de la partícula y   es

el campo magnético. Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza esperpendicular al

movimiento de la partícula y al campo magnético.

La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, cambia la dirección del

movimiento de ésta, pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La

magnitud de la fuerza es :  donde   es el ángulo entre los vectores   y  .`

Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en

movimiento, es siguiendo la ley de la mano derecha (véase regla de la mano derecha).

El físico alemán Heinrich Lenz formuló lo que ahora se denomina la ley de Lenz, ésta da una

dirección de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción

electromagnética.

Se puede ver una muy común fuente de campo magnético en la naturaleza, un dipolo. Éste tiene

un "polo sur" y un "polo norte", sus nombres se deben a que antes se usaban los magnetos como

brújulas, que interactuaban con el campo magnético terrestre para indicar el norte y el sur

del globo.

Un campo magnético contiene energía y sistemas físicos que se estabilizan con configuraciones de

menor energía. Por lo tanto, cuando se encuentra en un campo magnético, undipolo

magnético tiende a alinearse sólo con una polaridad diferente a la del campo, lo que cancela al

campo lo máximo posible y disminuye la energía recolectada en el campo al mínimo. Por ejemplo,

dos barras magnéticas idénticas pueden estar una a lado de otra normalmente alineadas de norte

a sur, resultando en un campo magnético más pequeño y resiste cualquier intento de reorientar

todos sus puntos en una misma dirección. La energía requerida para reorientarlos en esa

configuración es entonces recolectada en el campo magnético resultante, que es el doble de la

magnitud del campo de un magneto individual (esto es porque un magneto usado como brújula

interactúa con el campo magnético terrestre para indicar Norte y Sur).

Una alternativa formulada, equivalente, que es fácil de aplicar pero ofrece una menor visión, es que

un dipolo magnético en un campo magnético experimenta un momento de un par de fuerzas y

una fuerza que pueda ser expresada en términos de un campo y de la magnitud del dipolo (por

ejemplo sería el momento magnético dipolar). Para ver estas ecuaciones véase dipolo magnético.

La causa física del magnetismo en los cuerpos, distinto a la corriente eléctrica, es por los dipolos

atómicos magnéticos. Dipolos magnéticos o momentos magnéticos, en escala atómica, resultan de

dos tipos diferentes del movimiento de electrones. El primero es el movimiento orbital del electrón

sobre su núcleo atómico; este movimiento puede ser considerado como una corriente de bucles,

resultando en el momento dipolar magnético del orbital. La segunda, más fuerte, fuente de

momento electrónico magnético, es debido a las propiedades cuánticas llamadas momento

de spin del dipolo magnético (aunque la teoría mecánica cuántica actual dice que los electrones no

giran físicamente, ni orbitan el núcleo).

El momento magnético general de un átomo es la suma neta de todos los momentos magnéticos

de los electrones individuales. Por la tendencia de los dipolos magnéticos a oponerse entre ellos se

reduce la energía neta. En un átomo los momentos magnéticos opuestos de algunos pares de

electrones se cancelan entre ellos, ambos en un movimiento orbital y en momentos magnéticos de

espín. Así, en el caso de un átomo con orbitales electrónicos o suborbitales electrónicos

completamente llenos, el momento magnético normalmente se cancela completamente y solo los

átomos con orbitales electrónicos semillenos tienen un momento magnético. Su fuerza depende del

número de electrones impares.

La diferencia en la configuración de los electrones en varios elementos determina la naturaleza y

magnitud de los momentos atómicos magnéticos, lo que a su vez determina la diferencia entre las

propiedades magnéticas de varios materiales. Existen muchas formas de comportamiento

magnético o tipos de magnetismo: el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo;

esto se debe precisamente a las propiedades magnéticas de los materiales, por eso se ha

estipulado una clasificación respectiva de estos, según su comportamiento ante un campo

magnético inducido, como sigue:

[editar]Clasificación de los materiales magnéticos

Tipo de material Características

No magnéticoNo afecta el paso de las líneas de Campo magnético.Ejemplo: el vacío.

DiamagnéticoMaterial débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de él, ésta lo repele.Ejemplo: bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), agua.

ParamagnéticoPresenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética.Ejemplo: aire, aluminio (Al), paladio (Pd), magneto molecular.

Ferromagnético

Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética.Paramagnético por encima de la temperatura de Curie(La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C).Ejemplo: hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero suave.

AntiferromagnéticoNo magnético aún bajo acción de un campo magnético inducido.Ejemplo: óxido de manganeso (MnO2).

FerrimagnéticoMenor grado magnético que los materiales ferromagnéticos.Ejemplo: ferrita de hierro.

SuperparamagnéticoMateriales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica.Ejemplo: materiales utilizados en cintas de audio y video.

FerritasFerromagnético de baja conductividad eléctrica.Ejemplo: utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de corriente alterna.

Puesto que un imán de barra obtiene su ferromagnetismo de los electrones magnéticos microscópicos distribuidos uniformemente a través del imán, cuando un imán es partido a la mitad cada una de las piezas resultantes es un imán más pequeño. Aunque se dice que un imán tiene un polo norte y un polo sur, estos dos polos no pueden separarse el uno del otro. Un monopolo -si tal cosa existe- sería una nueva clase fundamentalmente diferente de objeto magnético. Actuaría como un polo norte aislado, no atado a un polo sur, o viceversa. Los monopolos llevarían "carga magnética" análoga a la carga eléctrica. A pesar de búsquedas sistemáticas a partir de 1931 (como la de 2006), nunca han sido observadas, y muy bien podrían no existir.(ref). Milton menciona algunos eventos no concluyentes (p.60) y aún concluye que "no ha sobrevivido en absoluto ninguna evidencia de monopolos magnéticos".(p.3)

Existen diversos tipos de comportamiento de los materiales magnéticos, siendo los principales el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo.

En los materiales diamagnéticos, la disposición de los electrones de cada átomo es tal, que se produce una anulación global de los efectos magnéticos. Sin embargo, si el material se introduce en un campo inducido, la sustancia adquiere una imantación débil y en el sentido opuesto al campo inductor.

Si se sitúa una barra de material diamagnético en el interior de un campo magnético uniforme e intenso, esta se dispone transversalmente respecto de aquel.

Los materiales paramagnéticos no presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que los constituye actúa como un pequeño imán. Sin embargo, la orientación de dichos imanes es, en general, arbitraria, y el efecto global se anula.

Asimismo, si el material paramagnético se somete a la acción de un campo magnético inductor, el campo magnético inducido en dicha sustancia se orienta en el sentido del campo magnético inductor.

Esto hace que una barra de material paramagnético suspendida libremente en el seno de un campo inductor se alinee con este.

El magnetismo inducido, aunque débil, es suficiente intenso como para imponer al efecto magnético. Para comparar los tres tipos de magnetismo se emplea la razón entre el campo magnético inducido y el inductor.

La rama de la química que estudia las sustancias de propiedades magnéticas interesantes es la magnetoquímica.

Un electroimán es un imán hecho de alambre eléctrico bobinado en torno a un material magnético

como el hierro. Este tipo de imán es útil en los casos en que un imán debe estar encendido o

apagado, por ejemplo, las grandes grúas para levantar chatarra de automóviles.

Para el caso de corriente eléctrica se desplazan a través de un cable, el campo resultante se dirige

de acuerdo con la "regla de la mano derecha." Si la mano derecha se utiliza como un modelo, y el

pulgar de la mano derecha a lo largo del cable de positivo hacia el lado negativo ( "convencional

actual", a la inversa de la dirección del movimiento real de los electrones), entonces el campo

magnético hace una recapitulación de todo el cable en la dirección indicada por los dedos de la

mano derecha. Como puede observarse geométricamente, en caso de un bucle o hélice de cable,

está formado de tal manera que el actual es viajar en un círculo, a continuación, todas las líneas de

campo en el centro del bucle se dirigen a la misma dirección, lo que arroja

un 'magnética dipolo ' cuya fuerza depende de la actual en todo el bucle, o el actual en la hélice

multiplicado por el número de vueltas de alambre. En el caso de ese bucle, si los dedos de la mano

derecha se dirigen en la dirección del flujo de corriente convencional (es decir, el positivo y el

negativo, la dirección opuesta al flujo real de los electrones), el pulgar apuntará en la dirección

correspondiente al polo norte del dipolo. -->

Un imán permanente conserva su magnetismo sin un campo magnético exterior, mientras que un imán temporal sólo es magnético, siempre que esté situado en otro campo magnético. Inducir el magnetismo del acero en los resultados en un imán de hierro, pierde su magnetismo cuando la inducción de campo se retira. Un imán temporal como el hierro es un material adecuado para los electroimanes. Los imanes son hechos por acariciar con otro imán, la grabación, mientras que fija en un campo magnético opuesto dentro de una solenoide bobina, se suministra con una corriente directa. Un imán permanente puede perder su magnetismo al ser sometido al calor, a fuertes golpes, o colocarlo dentro de un solenoide se suministra con una reducción de corriente alterna.

Unidades del SI relacionadas con el magnetismo

Tesla [T] = unidad de campo magnético.

Weber [Wb] = unidad de flujo magnético.

Amper [A] = unidad de corriente eléctrica, que genera campos magnéticos.

Otras unidades

gauss , abreviado como G, es la unidad CGS de inducción magnética (B).

Oersted , es la unidad CGS de campo magnético.

Maxwell , es la unidad CGS de flujo magnético.

IMANES

Un imán es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético (que atrae o repele otro imán)

significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes o metales (por ejemplo, con puertas

metálicas, alambres, tenedores etc...). Puede ser natural o artificial.

Del griego, adamas, adamantos (diamante, acero) de «a» (privativa, prefijo de contariedad o de

negacion) y damao (quemar). Fig. piedra dura que no se puede o no se debiera quemar, calentar,

pues los griegos debieron conocer que el calor destruye el magnetismo.

El cronista Gonzalo Fernández de Oviedo relata su uso y diversos nombres en el siglo XVI:

Las agujas de marear están cebadas y compuestas con la virtud y medio de la «piedra calamita» (que vulgarmente en castilla llamamos piedra «yman») de la cual y de sus propiedades hacen gran mención los naturales y la nombran por diversos nombres: porque de más de dos que he dicho la llaman «magnete, ematite siderita y heraclion», es de diversas especies o géneros esta piedra, una es más fuerte que otra y no todas las calamitas son de un color y la mejor de todas es la de ethiopia, la que se vende a peso de plata. (Escrito en 1535)

En fr. francés aimant.

Eje magnético: barra de la línea que une los dos polos.

Línea neutral: línea de la superficie de la barra que separa las zonas polarizadas.

Polos: los dos extremos del imán donde las fuerzas de atracción son más intensas. Estos polos son, el polo norte y el polo sur; (no deben confundirse con positivo y negativo) los polos iguales se repelen y los diferentes se atraen.

Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro y que los trocitos de hierro atraídos, atraían a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales.

Fue Oersted quien evidenció en 1820 por primera vez que una corriente eléctrica genera un campo

magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas al movimiento de los electrones que contienen los átomos; cada una de ellas origina un microscópico imán. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; y en cambio, si todos los imanes se alinean, actúan como un único imán y se dice que la sustancia se ha magnetizado.

Tanto si se trata de un tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de atracción se halla en sus

extremos, llamados polos. Un imán consta de dos polos, denominados polo norte y polo sur, o,

alternativamente, polo positivo y polo negativo. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se

atraen. No existen polos aislados (véase Monopolo magnético), y por lo tanto, si un imán se rompe

en dos partes, se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, aunque la

fuerza de atracción del imán disminuye.

Entre ambos polos se crean líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro. Como se muestra en la figura, pueden ser visualizadas esparciendo limaduras de hierro sobre una cartulina situada encima de una barra imantada; golpeando suavemente la cartulina, las limaduras se orientan en la dirección de las líneas de fuerza.

Para determinar los polos de un imán se considera la tendencia de éste a orientarse según los polos magnéticos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural: el polo norte de un imán se orienta hacia el polo sur magnético, que está próximo al polo norte geográfico, mientras que el polo sur del imán se orienta hacia el polo norte magnético, que está próximo al polo sur geográfico. El ángulo comprendido entre la componente horizontal del campo magnético terrestre y el meridianogeográfico se denomina declinación magnética.

La magnetización de un objeto es el valor local de su momento angular-magnético por unidad de volumen, usualmente denotado M, con unidades A/m. Es un campo vectorial, más allá que simplemente un vector (como el momento magnético), porque las diferentes secciones de una barra magnética generalmente están magnetizadas con diferentes direcciones y fuerzas. Una buena barra magnética puede tener un momento magnético de magnitud 0,1 A·m² y de volumen de 1 cm³, o 0,000001 m³; por tal razón el promedio de la magnitud de magnetización es de 100.000 A/m. El acero puede tener una magnetización de alrededor de un millón A/m.

Colocando el material en un fuerte campo magnético producido por un imán permanente o por una corriente eléctrica, o cuando el material tiene propiedades magnéticas y al fundirlo (ej. acero o lava basáltica) se enfría en la presencia de algún campo magnético.

Los imanes pueden ser: naturales o artificiales, o bien, permanentes o temporales.

Un imán natural es un mineral con propiedades magnéticas (magnetita).

Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad

del magnetismo.

Un imán permanente está fabricado en acero imantado.

Un imán temporal, pierde sus propiedades una vez que cesa la causa que provoca el magnetismo.

Un electroimán es una bobina (en el caso mínimo, una espiral) por la cual circula corriente

eléctrica.

Usos

Los imanes se utilizan de muy diversas formas: altavoces o parlantes, pegatinas (figuras que se

adhieren a las neveras), brújulas, cierres para heladeras o congeladores, paredes magnéticas,

llaves codificadas, bandas magnéticas de tarjetas de crédito o débito, bocinas, motores, como un

interruptor básico, como detector de billetes falsos, generadores, detectores de metales, para el

cierre de mobiliario. Algunos de estos aparatos se pueden dañar si se les aplica una cierta cantidad

de magnetismo opuesto.

IMANES ARTIFICIALESAL SOMETER UN TROZO DE HIERRO A UN CAMPO MAGNÉTICO CREAMOS UN:     Un Imán Artificial

Imanes naturales.- La magnetita es un potente imán natural, tiene la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas. Su característica de atraer trozos de hierro es natural. Esta compuesta por óxido de hierro. Las sustancias magnéticas son aquellas que son atraídas por la magnetita.

Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo, ya sea mediante frotamiento con un imán natural o por la acción de corrientes eléctricas aplicadas en forma conveniente (electroimanación):

Imanes artificiales permanentes.- Son las sustancias magnéticas que al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes, y conservan durante mucho tiempo su propiedad de atracción.

Imanes artificiales temporales.- Aquellos que producen un campo magnético sólo cuando circula por ellos una corriente eléctrica. Un ejemplo es el electroimán.

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.

Fue inventado por el electricista británico William Sturgeon en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Sturgeon demostró su potencia levantando 4 kg con un trozo de hierro de 200 g envuelto en cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.

El tipo más simple de electroimán es un trozo de cable enrollado. Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.

Los campos magnéticos generados por bobinas de cable se orientan según la regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente que circula por la bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El lado del imán del que salen las líneas del campo se define como «polo norte».

ELECTROIMAN

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de

una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.

En 1819, el físico danés Hans Christian Ørsted descubrió que una corriente eléctrica que circula

por un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una

brújula. Basado en sus observaciones, el físico Estadounidense Joseph Henryinventó el

electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto

por una bobina enrollada sobre él. Henry envolvió los cables por los que hizo circular la corriente

de una batería. Henry podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía

eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones

electrónicas a gran escala.

El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado. Una bobina con forma de tubo

recto (parecido a un tornillo) se llamasolenoide, y cuando además se curva de forma que los

extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más

fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro

dulce o ferrita, aunque también se utiliza el llamado acero eléctrico) dentro de la bobina. El núcleo

concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia

bobina.

Los campos magnéticos generados por bobinas se orientan según la regla de la mano derecha. Si

los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente que circula por la

bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El lado del imán del que salen

las líneas de campo se define como «polo norte».

Además, dentro de la bobina se crean corrientes inducidas cuando ésta está sometida a un flujo

variable. Estas corrientes son llamadascorrientes de Foucault y en general son indeseables, puesto

que calientan el núcleo y provocan una pérdida de potencia

La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético

puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad de corriente

eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el

campo.

Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del material,

llamadas dominios magnéticos, se alinean con el campo aplicado, haciendo que la fuerza del

campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios terminarán

alineándose, condición que se denomina saturación. Cuando el núcleo se satura, un mayor

aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente pequeño del campo

magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden realinearse por sí mismos. En este

caso, parte del campo magnético original persistirá incluso después de que se retire la corriente,

haciendo que el núcleo se comporte como un imán permanente. Este fenómeno,

llamado remanencia, se debe a la histéresis del material. Aplicar unacorriente alterna decreciente a

la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su punto de Curie reorientará los

dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.

En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes

suelen ser superiores. Además, es posible fabricar imanes permanentes que producen campos

magnéticos más fuertes que un electroimán de tamaño similar.

Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo magnético

variable rápida o fácilmente. Muchas de estas aplicaciones implican la deflección de haces de

partículas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catódicos y el espectrómetro de masa.

Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en los

frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los frenos

electromagnéticos se adhieren directamente a los rieles. Se usan electroimanes muy potentes en

grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar magnéticamente metales

en chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación magnética usan poderosos

electroimanes para flotar sin tocar la pista. Algunos trenes usan fuerzas atractivas, mientras otros

emplean fuerzas repulsivas.

Los electroimanes se usan en los motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético

rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que impulse

la armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es usado más a

menudo debido a su relativo bajo costo, y a veces se emplea aluminio para reducir el peso.

Calcular la fuerza sobre materiales ferromagnéticos es, en general, bastante complejo. Esto se

debe a las líneas de campo de contorno y a las complejas geometrías. Puede simularse

usando análisis de elementos finitos. Sin embargo, es posible estimar la fuerza máxima bajo

condiciones específicas. Si el campo magnético está confinado dentro de un material de alta

permeabilidad, como es el caso de ciertas aleaciones de acero, la fuerza máxima viene dada por:

Donde:

F es la fuerza en newtons;

B es el campo magnético en teslas;

A es el área de las caras de los polos en m²;

es la permeabilidad magnética del espacio libre.

En el caso del espacio libre (aire), , siendo la fuerza por unidad de área (presión):

, para B = 1 tesla

, para B = 2 teslas

En un circuito magnético cerrado:

Donde:

N es el número de vueltas del cable en torno al electroimán;

I es la corriente en amperios;

L es la longitud del circuito magnético.

Sustituyendo, se obtiene:

Por su fuerza se usan para levantar contenedores de más de 25 Toneladas, más el peso de la carga y vehículos.

Para construir un electroimán fuerte, se prefiere un circuito magnético corto con una gran superficie. La mayoría de los materiales ferromagnéticos se saturan sobre 1 a 2 teslas. Esto sucede a una intensidad de campo de 787 amperios×vueltas/metro.

Por esta razón, no hay motivos para construir un electroimán con una intensidad de campo mayor. Los electroimanes industriales usados para levantar peso se diseñan con las caras de ambos polos en un lado (el inferior). Eso confina las líneas de campo para maximizar el campo magnético. Es como un cilindro dentro de otro. Muchos altavoces usan una geometría parecida, aunque las líneas de campo son radiales al cilindro interior más que perpendiculares a la cara.

MOTOR ELECTRICO

Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía

mecánica por medio de camposelectromagnéticos variables. Algunos de los motores eléctricos son

reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando

como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles

híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.

Son muy utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar

conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están

empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores de combustión:

A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.

Se pueden construir de cualquier tamaño.

Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.

Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando a medida que se

incrementa la potencia de la máquina).

Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de

la mayoría de las redes de suministro sí emiten contaminantes.

Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:

Motor serie

Motor compound

Motor shunt

Motor eléctrico sin escobillas

Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:

Motor paso a paso

Servomotor

Motor sin núcleo

Los motores eléctricos se utilizan en la gran mayoría de las máquinas modernas. Su reducido tamaño permite introducir motores potentes en máquinas de pequeño tamaño, por ejemplo taladros o batidoras.

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

Para motores monofásicos únicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualmente o con relés conmutadores

Para motores trifásicos únicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.

Para motores de a.c. es necesario invertir los contactos del par de arranque.

En los motores asíncronos trifásicos existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor. Esto último es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander pero solo es posible tener un cambio de polaridad limitado ejem: 2 polos y 4.

GENERADOR ELECTRICO

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de

potencial eléctrico entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando

la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo

magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada

también estator). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el

campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de

Faraday.

Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente

continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una

sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases.

El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en

mecánica.

No sólo es posible obtener una corriente eléctrica a partir de energía mecánica de rotación sino

que es posible hacerlo con cualquier otro tipo de energía como punto de partida. Desde este punto

de vista más amplio, los generadores se clasifican en dos tipos fundamentales:

Primarios: Convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la

que disponen inicialmente, como alternadores, dinamos, etc.

Secundarios: Entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente, es

decir, en primer lugar reciben energía de una corriente eléctrica y la almacenan en forma de

alguna clase de energía. Posteriormente, transforman nuevamente la energía almacenada en

energía eléctrica. Un ejemplo son las pilas o baterías recargables.

Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento.

Se indican de modo esquemático la energía de partida y el proceso físico de conversión. Se ha considerado en todos los casos conversiones directas de energía. Por ejemplo, elhidrógeno posee energía química y puede ser convertida directamente en una corriente eléctrica en una pila de combustible. También sería su combustión con oxígeno para liberarenergía térmica, que podría expansionar un gas obteniendo así energía mecánica que haría girar un alternador para, por inducción magnética, obtener finalmente la corriente deseada.

Energía de partidaProceso físico que convierte dicha energía en energía

eléctrica

Energía magneto-mecánica Son los más frecuentes y fueron tratados como

generadores eléctricos genéricos.

Corriente continua : Dinamo

Corriente alterna : Alternador

Energía química (sin intervención de

campos magnéticos)

Celdas electroquímicas y sus derivados: pilas

eléctricas, baterías, pilas de combustible.

Ver sus diferencias en generadores electroquímicos.

Radiación electromagnética Fotoelectricidad, como en el panel fotovoltaico

Energía mecánica (sin intervención de

campos magnéticos)

Triboelectricidad

Cuerpos frotados

Máquinas electrostáticas, como el generador de

Van de Graaff

Piezoelectricidad

Energía térmica (sin intervención de

campos magnéticos)Termoelectricidad (efecto Seebeck)

Energía nuclear (sin intervención de

campos magnéticos)Generador termoeléctrico de radioisótopos

Generador termoeléctrico de radioisótopos de la sonda espacial Cassini.

En la mayoría de los casos, el rendimiento de la transformación es tan bajo que es preferible

hacerlo en varias etapas. Por ejemplo, convertir la energía nuclear en energía térmica,

posteriormente en energía mecánica de un gas a gran presión que hace girar una turbinaa gran

velocidad, para finalmente, por inducción electromagnética obtener una corriente alterna en

un alternador, el generador eléctrico más importante desde un punto de vista práctico como fuente

de electricidad para casi todos los usos actuales.

Desde el punto de vista teórico (teoría de circuitos) se distinguen dos tipos de generadores

ideales:1

* Generador de voltaje o tensión: un generador de voltaje ideal mantiene un voltaje fijo entre sus

terminales con independencia de la resistencia de la carga Rc que pueda estar conectada entre

ellos.

Figura 1: Generador de tensión ideal; E = I×Rc

* Generador de corriente o intensidad: un generador de corriente ideal mantiene una corriente

constante por el circuito externo con independencia de la resistencia de la carga que pueda estar

conectada entre ellos.

En la (Figura 1) se ve el circuito más simple posible, constituido por un generador de tensión

constante E conectado a una carga Rc y en donde se cumpliría la ecuación:

E = I×Rc

Figura 2: E = I×(Rc+Ri)

El generador descrito no tiene existencia real en la práctica, ya que siempre posee lo que,

convencionalmente, se ha dado en llamar resistencia interna, que aunque no es realmente

unaresistencia, en la mayoría de los casos se comporta como tal.

En la (Figura 2) se puede ver el mismo circuito anterior, pero donde la resistencia interna del

generador viene representada por una resistencia Ri, en serie con el generador, con lo que la

ecuación anterior se transforma en:

E = I×(Rc+Ri)

Así, un generador real puede considerarse en muchos casos como un generador ideal de tensión

con una resistencia interna en serie, o bien como un generador ideal de intensidad en paralelo con

una resistencia.1

Una característica de cada generador es su fuerza electromotriz (F.E.M.), simbolizada por la letra

griega epsilon (ε), y definida como el trabajo que el generador realiza para pasar la unidad

de carga positiva del polo negativo al positivo por el interior del generador.

La F.E.M. (ε) se mide en voltios y en el caso del circuito de la Figura 2, sería igual a la tensión E,

mientras que la diferencia de potencial entre los puntos a y b, Va-b, es dependiente de la carga Rc.

La F.E.M. (ε) y la diferencia de potencial coinciden en valor en ausencia de carga, ya que en este

caso, al ser I = 0 no hay caída de tensión en Ri y por tanto Va-b = E.

TRANSFORMADORES

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir

la tensión en un circuito eléctrico decorriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que

ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se

obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas,

dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de

tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética.

Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y

por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única

conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.

Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y

están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado,

fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada

para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se

denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en

cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso,

puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez uncampo magnético variable. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.

La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada volt de entrada cuántos volts hay en la salida del transformador.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) .

La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.

Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario ó corriente de salida.

Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltasdel transformador o relación de transformación.

Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

La primera "bobina de inducción" para ver el uso de ancho fueron inventadas por el Rev. Nicholas Callan College de Maynooth, Irlanda en 1836, uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en relación con el bobinado primario, más grande es el aumento de la FEM.

Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de inducción para obtener mayores tensiones en las baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un vibrante "do&break" mecanismo que regularmente interrumpido el flujo de la corriente directa (DC) de las pilas.

Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de

inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de los

transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero dentro de

un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de Corrientes”, y en que los

sistemas de distribución de corriente alterna triunfo sobre sus homólogos de corriente continua,

una posición dominante que mantienen desde entonces.

En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un

conjunto de bobinas de inducción en el que el bobinado primario se conectaba a una fuente de

corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias “velas eléctricas”

(lámparas de arco), de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban

como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar suministro

por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de

una sola fuente de energía eléctrica”.

En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos de

ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría.

En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecián un sistema que

constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios.

En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo con un

núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego vendió la idea de la compañía

Westinghouse de Estados Unidos.

También fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adaptado para el sistema de alumbrado

eléctrico.

El nacimiento del primer transformador

Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Zipernowsky, Bláthy y Deri de la compañía Ganz

crearon en Budapest el modelo “ZBD” de transformador de corriente alterna, basado en un diseño

de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleo abierto). Descubrieron la

fórmula matemática de los transformadores:

Donde: (Vs) es la tensión en el secundario y (Ns) es el número de espiras en el secundario,

(Vp) y (Np) se corresponden al primario.

Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra "transformador", una palabra que había

sido acuñada por Bláthy Ottó.

En 1885, George Westinghouse compro las patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs. Él le

encomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD para uso

comercial.

Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.

El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica

que usaba transformadores se puso en operación en 1886 en Great Barington, Massachussets, en

los Estados Unidos de América. En ese mismo año, la electricidad se transmitió a 2.000 voltios en

corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir

de esta pequeña aplicación inicial, la industria eléctrica en el mundo, ha recorrido en tal forma, que

en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria

el transformador. El aparato que aquí se describe es una aplicación, entre tantas, derivada de la

inicial bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff, que consistía en dos bobinas concéntricas. A

una bobina, llamada primario, se le aplicaba una corriente continua proveniente de una batería,

conmutada por medio de un ruptor movido por el magnetismo generado en un núcleo de hierro

central por la propia energía de la batería. El campo magnético así creado variaba al compás de

las interrupciones, y en el otro bobinado, llamado secundario y con muchas más espiras, se inducía

una corriente de escaso valor pero con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de

unchispómetro conectado a sus extremos.

También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford T, que poseía una por

cada bujía, comandadas por undistribuidor que mandaba la corriente a través de cada una de las

bobinas en la secuencia correcta.

Transformador elevador/reductor de tensión

Son empleados por empresas transportadoras eléctricas en las subestaciones de la red de

transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la

resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo

que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de

utilización.

Transformadores elevadores

Este tipo de transformadores nos permiten, como su nombre lo dice elevar la tensión de salida con

respecto a la tensión de entrada. Esto quiere decir que la relación de transformación de estos

transformadores es mayor a uno.

Transformadores variables

También llamados "Variacs", toman una línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión

de salida variable ajustable, dentro de dos valores.

Transformador de aislamiento

Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una

alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1. Se utiliza principalmente como medida

de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red. También para acoplar

señales procedentes de sensores lejanos, en resistencias inesianas, en equipos

de electromedicina y allí donde se necesitan tensiones flotantes entre sí.

Transformador de alimentación

Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el

funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que corta su circuito primario cuando el

transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de

humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de

modo que hay que sustituir todo el transformador.

Transformador trifásico

Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y)

(con hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-

Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las

tensiones de fase varían.

Transformador de pulsos

Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja autoinducción) destinado a

funcionar en régimen de pulsos y además de muy versátil utilidad en cuanto al control de tensión

220 V.

Transformador de línea o Flyback

Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con TRC (CRT)

para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Suelen ser

pequeños y económicos. Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento,

etc.). Además de poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene

la característica de mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus diferentes

arreglos entre sus bobinados secundarios.

Transformador diferencial de variación lineal

El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de

transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres

bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado

primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al

objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo.

Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición

automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos.

Transformador con diodo dividido

Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para proporcionar la

tensión continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido porque está formado por

varios diodos más pequeños repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada

diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador

va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicador.

Transformador de impedancia

Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (tarjetas de

red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la

alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.

Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n y

Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -Es/n²Is = Z/n². Así, hemos

conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n². Colocando el transformador al

revés, lo que hacemos es elevar la impedancia en un factor n².

Estabilizador de tensión

Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en el primario

excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundario quedan limitadas.

Tenía una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de

transformador ha caído en desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos,

debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energética.

Transformador híbrido o bobina híbrida

Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en los teléfonos, tarjetas de red,

etc.

Balun

Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no equilibradas y viceversa.

La línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador.

Transformador electrónico

Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente eléctrica que

alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamente su tamaño. También

pueden formar parte de circuitos más complejos que mantienen la tensión de salida en un valor

prefijado sin importar la variación en la entrada, llamados fuente conmutada.

Transformador de frecuencia variable

Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de

audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electrónicos

para comunicaciones, medidas y control.

Transformadores de medida

Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los transformadores de

medida para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en circuitos de alta tensión o de

elevada corriente. Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de relés,

permitiendo una mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés.

Según su construcción

Autotransformador

El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo un

bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea

habitualmente para convertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el

inconveniente de no proporcionar aislamiento galvánico entre el primario y el secundario.

Transformador con núcleo toroidal

El núcleo consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se

bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado

en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de

Foucault.

Transformador de grano orientado

El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma,

siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales.

Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser

también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.

Transformador de núcleo de aire

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un

pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.

Transformador de núcleo envolvente

Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven

los bobinados. Evitan los flujos de dispersión.

Transformador piezoeléctrico

Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están basados en

el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y el secundario, sino que se emplean

vibraciones mecánicas en un cristal piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar

bien a frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar los

fluorescentes del backlight de ordenadores portátiles.

LEYES ELECTRICASLeyes de Faraday y Lenz.

LEY DE FARADAY. En 1831 Faraday descubrió la inducción electromagnética, y el mismo año demostró la inducción de una corriente eléctrica por otra. Durante este mismo periodo investigó los fenómenos de la electrólisis y descubrió dos leyes fundamentales:

Que la masa de una sustancia depositada por una corriente eléctrica en una electrólisis es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por el electrólito.

Que las cantidades de sustancias electrolíticas depositadas por la acción de una misma cantidad de electricidad son proporcionales a las masas equivalentes de las sustancias. 

También demostró que un recinto metálico (caja o jaula de Faraday) forma una pantalla eléctrica. Sus experimentos en magnetismo le llevaron a dos descubrimientos de gran importancia. Uno fue la existencia del diamagnetismo y el otro fue comprobar que un campo magnético tiene fuerza para girar el plano de luz polarizada que pasa a través de ciertos tipos de cristal.

LEY DE LENZ. Cuando una corriente empieza a circular por un conductor, se genera un campo magnético que parte del conductor. Este campo atraviesa el propio conductor e induce en él una corriente en sentido opuesto a la corriente que lo causó. En un cable recto este efecto es muy pequeño, pero si el cable se arrolla para formar una bobina, el efecto se amplía ya que los campos generados por cada espira de la bobina cortan las espiras vecinas e inducen también una corriente en ellas.