CAPTULO 5

CAPTULO 5

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO5.1 INTRODUCCIN

Estimado alumno, para entender adecuadamente los principios de la electricidad es necesario estudiar el magnetismo y los efectos de ste sobre los equipos elctricos. Debemos entender que el magnetismo y la electricidad tienen una relacin muy estrecha, de tal manera que, el estudio a fondo de uno, estara incompleto sin al menos tener un conocimiento bsico del otro.

Mucho de los equipos modernos de hoy en da, tanto elctricos como electrnicos, no podran funcionar sin el magnetismo. Las computadoras, las antiguas grabadoras de cinta y los equipos de reproduccin de video usan cintas magnetizadas. Las bocinas de alta fidelidad usan imanes para convertir las salidas amplificadas a sonido audible. Los motores elctricos usan el magnetismo para convertir la energa elctrica a mecnica; los generadores usan el magnetismo para convertir la energa mecnica a elctrica. Desde luego que existen otros muchos usos del magnetismo; tal vez uno muy interesante es la levitacin magntica.

Hace ms de dos mil aos que en Magnesia, antigua ciudad del Asia Menor, fueron encontrados los imanes naturales o piedra imn, habindose descubierto que tal sustancia atraa pequeos cuerpos de hierro que le eran acercados. Aos ms tarde le llamaron xido de hierro y en la Qumica se llama xido magntico (Fe3O4).

Se dice que los fenicios fueron los que primeramente hicieron aplicacin de la energa magntica del imn cuando usaron la brjula en sus viajes martimos comerciales. Desde entonces, el magnetismo ha sido de inters para la ciencia y la industria.

5.2 MATERIALES MAGNTICOS

El magnetismo se define como la propiedad que tiene un material de atraer piezas de acero o hierro. Un material que posee esta propiedad se conoce como imn. La palabra imn es originaria de la antigua Grecia, tal y como se mencion en el apartado anterior. Los materiales que son atrados por un imn, tales como, el hierro, el acero, nquel y el cobalto, tienen la habilidad de ser magnetizados. A estos se le llama materiales magnticos. Los materiales como el papel, la madera o el estao no son atrados por los imanes, de tal manera que, a stos, se les considera no magnticos. Los materiales no magnticos no se pueden magnetizar.

5.3 MATERIALES FERROMAGNTICOS

El grupo de materiales ms importante que se utilizan en la electricidad y la electrnica, son los materiales ferromagnticos. Los materiales ferromagnticos son aquellos que se magnetizan con suma facilidad, entre ellos podemos nombrar a: el hierro, el acero, el cobalto, y las aleaciones llamadas Alnico (aleacin de aluminio, nquel y cobalto) y Permalloy. Recuerda que, una aleacin, es la combinacin de dos o ms metales. Estas nuevas aleaciones pueden ser fuertemente magnetizadas y ser capaces de obtener una fuerza magntica tan grande que podran levantar 500 veces su propio peso.

5.4 IMANES NATURALES

Las piedras imn, tales como aquellas que se encontraron en la antigua Grecia, son consideradas imanes naturales. Estas piedras poseen la habilidad de atraer pequeas piezas de hierro de una manera similar a los imanes que conocemos hoy en da. Sin embargo, las propiedades magnticas que tienen estas piedras son de origen natural, es decir, no son el resultado de la mano del hombre. Los griegos llamaron a esta sustancia magnetita.

5.5 IMANES ARTIFICIALES

Los imanes que son elaborados con materiales magnticos son llamados imanes artificiales. stos pueden ser hechos en una gran variedad de formas y tamaos, y se usan de manera extensiva en los aparatos elctricos. Los imanes artificiales son, generalmente, hechos de hierro especial o aleaciones de acero, las cuales son comnmente, magnetizadas elctricamente. El material que va a ser magnetizado es insertado dentro de una bobina hecha de alambre aislado, por la cual se hace pasar una gran corriente. Los imanes tambin se pueden ser producidos frotando una barra de acero, que va a ser magnetizada, con un imn permanente. La operacin consiste en frotar una punta de la barra con un extremo del imn permanente. La otra punta se frota despus con el otro polo del imn. Las fuerzas que causan la magnetizacin son representadas por lneas de fuerza magnticas muy similares en naturaleza las lneas de fuerza electrosttica.

Los imanes artificiales son clasificados como permanentes o temporales, esto depende de su habilidad para retener sus propiedades magnticas despus de que la fuerza magnetizante ha sido removida. Los imanes hechos de sustancias tales como fierro vaciado y ciertas aleaciones, son capaces de retener una gran cantidad de magnetismo; a stos se les llama imanes permanentes. Estos materiales son, relativamente, difciles de magnetizar debido a la oposicin que ofrecen a las lneas de fuerza magnticas, a pasar a travs de ellos. Esta oposicin producida por estos materiales se le llama reluctancia. Todos los imanes permanentes son producidos de materiales que tienen una gran reluctancia. Un material con una baja reluctancia, como por ejemplo, el hierro suave o el acero al silicio, son relativamente fciles de magnetizar, pero, cuando se retira la fuerza magnetizante, slo podrn retener una pequea parte de ese magnetismo. Los materiales que pierden con facilidad su fuerza magntica son llamados imanes temporales. La cantidad de magnetismo que permanece en un imn temporal se le llama magnetismo residual o remanente. La habilidad de un material para retener una cantidad de magnetismo remanente se le llama retentividad.

La diferencia que existe entre los imanes permanentes y temporales, como se indic anteriormente, es debida a la reluctancia; un imn permanente tiene una alta reluctancia y un imn natural, a su vez, tiene baja reluctancia. Los imanes tambin pueden ser descritos en trminos de la permeabilidad. La permeabilidad es la facilidad con que un material permite el paso de las lneas de fuerza magntica a travs de su masa.Un imn permanente que es producido de un material de alta reluctancia, tiene una baja permeabilidad. Un imn temporal que es producido de un material de baja reluctancia, tiene una alta permeabilidad.

5.6 POLOS MAGNTICOS

La fuerza magntica que rodea a un imn no es uniforme. Existe una gran concentracin de la fuerza en cada extremo de un imn y una muy dbil fuerza en su centro. Como prueba de este hecho, se puede espolvorear el imn con limaduras de hierro. Ver la figura 5-1. Se encuentra que muchas limaduras se pegarn a los extremos del imn, mientras que muy pocas se adhieren al centro. Los dos extremos, que son las regiones donde se concentran las lneas de fuerza, se les llama polos del imn. Los imanes tienen dos polos magnticos, ambos polos tienen igual fuerza magntica.

Figura 5-1. Imn de barra espolvoreado con limaduras de hierro.

5.7 LEY DE LOS POLOS MAGNTICOS

Para establecer ciertas reglas de la forma en que un imn acta sobre otro se asignan polaridades a los extremos de los imanes. Las polaridades reciben el nombre de Norte (N) y Sur (S). El extremo Norte de un imn se determina suspendiendo el imn de una cuerda para que gire libremente. Entonces el imn se alinear por s mismo con el campo magntico terrestre. Ver la figura 5-2. El extremo del imn que seale hacia el polo magntico Norte de la Tierra es el polo N del imn. El otro extremo del imn recibe el nombre de polo S. El imn siempre se alinear en esta forma

Figura 5-2. El extremo de un imn que seala al polo magntico norte de la tierra es el polo N.

Debido a que un imn se alinear con el polo N hacia el Norte, lo podemos usar para determinar direcciones. Una brjula consta de un pequeo imn ligero, que gira libremente y sin dificultad alguna se mantiene alineado con el polo Norte magntico de la Tierra. Independientemente de cmo se haga girar la brjula, la aguja siempre sealar al Norte.

Puesto que un imn siempre se alinea con el polo Norte magntico de la Tierra, se supone que existen ciertas leyes especficas que rigen los efectos magnticos; stas son las leyes de atraccin y repulsin. Las leyes de atraccin y repulsin que se aplican en el magnetismo son las mismas que las de las cargas elctricas, excepto que se usan los conceptos de polaridades N y S en lugar de positivo y negativo. Ver figuras 5-3 y 5-4.

Las leyes son:

Polos semejantes se repelen.

Polos distintos se atraen.

Figura 5-3. Polos magnticos opuestos se atraen.

5.8 CAMPO MAGNTICO TERRESTRE

Puesto que la misma Tierra es una enorme masa giratoria, tambin produce un campo magntico. La distribucin de la fuerza magntica alrededor de la Tierra es la misma que podra tener un enorme imn, es decir, la Tierra se comporta como si tuviera un imn de barra que pasa por su centro, con un extremo cerca del polo geogrfico Norte y el otro cerca del polo Sur. Ver la Figura 5-5.

Figura 5-4. Polos magnticos de la misma polaridad se repelen.

El eje magntico de la Tierra est localizado a un ngulo de 15o de su eje geogrfico.

Figura 5-5. Polos magnticos y geogrficos de la Tierra.

5.9 TEORA DEL MAGNETISMO

Una teora popular del magnetismo considera la alineacin molecular del material. Esta es conocida como la teora de Weber. Puesto que los materiales magnticos contienen molculas magnticas, podra pensarse que siempre se comportan como imanes. Sin embargo, no es el caso, porque en circunstancias normales, las molculas magnticas estn dispersas y orientadas al azar, de manera que los campos magnticos de las molculas se anulan mutuamente. Se considera entonces que el metal est desmagnetizado.

Si todas las molculas estuvieran dispuestas de manera tal que apuntaran en la misma direccin, los campos de fuerza se sumaran. Esto sucede cuando se aplica una fuerza magnetizante al material metlico. El metal entonces se considerara magnetizado. Si absolutamente todas las molculas estuviesen alineadas, se producira un campo magntico. A esta condicin se le llama saturacin.

Aunque la teora molecular de Weber se ha sustituido por una ms moderna, se aproxima extraordinariamente a la verdadera, muy especialmente si se tiene en cuenta la limitacin de los conocimientos que se tenan sobre la estructura molecular en la poca en que se expuso.

Ver la figura 5-6.

Figura 5-6. En la parte superior se muestran las molculas en un metal no magnetizado, pero, que a su vez, est en proceso de magnetizacin, En la parte inferior se muestran las molculas

en el metal ya magnetizado.

En los primeros tiempos en que se empez a emplear el hierro como material magntico, se intent explicar por qu solamente ste, entre todos materiales elementales, tena unas propiedades magnticas tan manifiestas.

Hace aproximadamente ms de un siglo, Ampere sugiri que las molculas del hierro tenan la facultad de comportarse como imanes debido a las corrientes elctricas que circulaban en ellas. Ms tarde, Ewing y Weber explicaron de manera prctica todos los fenmenos magnticos observados, tales como los de saturacin e histresis, partiendo de la hiptesis de que las molculas del hierro eran pequeos imanes permanentes. Su teora no explicaba, sin embargo, por qu la existencia de estas molculas magnetizadas era propiedad exclusiva del hierro (tambin del nquel y cobalto, aunque con intensidad mucho menor) y no de un gran nmero de otros elementos. Solamente hasta hace poco, al llegar a un conocimiento ms detallado de la estructura atmica y de las propiedades e interacciones entre los electrones que la componen, ha sido posible llegar a una explicacin racional.

En el modelo atmico de Bohr se considera el tomo como formado por un ncleo central positivo y varios electrones que se mueven alrededor de este ncleo, describiendo rbitas elpticas. El nmero de cargas positivas del ncleo es exactamente igual al los de electrones que giran a su alrededor, cada uno de los cuales lleva una carga negativa elemental. Recientemente se ha completado esta considerando que los electrones giran, adems, alrededor de su eje que pasa por su centro, movimiento al que se da el nombre de spin electrnico.

Algunas de las rotaciones propias de los electrones se realizan en una direccin positiva y otras en la opuesta, o direccin negativa. Debido al movimiento de los electrones en sus rbitas y a su rotacin propia, se produce una circulacin de electricidad, o de minsculas cargas elctricas, alrededor del ncleo, por una parte, y en el interior de cada electrn. Ver la figura 5-7. Por consiguiente, cada electrn es un pequeo giroscopio que posee un momento magntico definido, producido por el movimiento de su carga elctrica, as como su momento de rotacin definido, que se debe a la rotacin de su masa. Como los electrones, al moverse sobre sus rbitas, poseen tambin un momento magntico y un momento de rotacin, se considera que cuando vara la accin de la fuerza magnetizante aplicada, los movimientos orbitales no varan y todo el cambio se produce en la direccin, o sentido, del spin de algunos de los electrones.

Figura 5-7. Spin de los electrones.

La razn de que el hierro sea magntico puede explicarse examinando la figura 5-8, en la que se representa la estructura de un tomo de hierro. Las rbitas de los electrones se representan mediante circunferencias y se agrupan en capas. Hay cuatro capas electrnicas principales, una de las cuales est dividida en dos subcapas y otra en tres; los nmeros sealados en la figura representan el nmero de electrones que hay en cada subcapa.

Figura 5-8. Capas electrnicas en un tomo aislado de hierro. Para que el tomo tenga propiedades magnticas, debe haber un spin electrnico sin compensar en una rbita interior. En la figura 5-8 se indican los electrones que tienen spin positivo (los que giran a favor de las manecillas del reloj) y negativo (los que giran en contra de las manecillas del reloj). Puede observarse que en las dos capas interiores hay tantos electrones con spin positivo como con spin negativo, aparendose dos electrones en la capa ms interior y dos grupos de uno de tres electrones en la adyacente. Como en estas dos capas estn compensados todos los momentos magnticos, ninguna de ellas da origen a un momento magntico resultante. Sin embargo, en la tercera capa hay 1, 3 y 5 electrones con spin positivo, y 1, 3 y 1 electrones con spin negativo y, por lo tanto, algunos de los primeros quedan sin compensar. A ello se deben las propiedades magnticas del tomo de hierro. Los dos electrones situados en la rbita exterior, que se han representado con lneas de trazos, tienen uno de ellos spin positivo y negativo el otro, y son los electrones que pueden pasar libremente a los tomos adyacentes, interviniendo en la conduccin de la electricidad.

Sin embargo, para que un material sea ferromagntico, no es nicamente necesario que existan spin electrnicos no compensados en los tomos, sino tambin que los spin resultantes en los tomos prximos sean paralelos. El clculo demuestra que para que esta condicin se cumpla plenamente es necesario que exista una relacin crtica entre el dimetro del tomo y el de la capa electrnica no compensada (la adyacente a la externa en la figura 5-8). Como la influencia de los spin electrnicos de un tomo sobre los prximos depende de la distancia entre ellos, esta distancia se ha llamado de intercambio. La fuerza de intercambio es elctrica y es tan enrgica que a la temperatura ambiente se requiere de una fuerza magnetizante de 10,000,000 oersted para conseguir la misma orientacin de los spin electrnicos.

Por lo tanto, la explicacin de que sean muy raros los materiales ferromagnticos es que solamente el tomo de hierro, y en menor grado los de nquel y cobalto, cumplen de manera completa las condiciones de que existan spin electrnicos sin compensar en una rbita interior y de que los spin resultantes en los tomos cercanos sean paralelos. Adems, esta ltima condicin solamente se cumple de una manera completa cuando existe una relacin definida entre el dimetro del tomo y el de la capa en la que se encuentran los electrones cuyo spin no se ha compensado.

Aunque las fuerzas de intercambio son muy intensas, por razones no conocidas an, no ejercen su accin sobre la totalidad del material, sino que actan nicamente en zonas limitadas de magnitudes prcticamente tan reducidas que no son visibles. Por trmino medio, estas zonas con intenso magnetismo tienen un volumen equivalente al de un cubo de arista del orden de 0.001 cm. Los materiales ferromagnticos estn, as, compuestos de un gran nmero de pequeas zonas de las indicadas, que se llaman dominios. Cada dominio est formado por una asociacin de molculas en las que los ejes de rotacin propia de los electrones son paralelos, con los que estos dominios estn magnetizados a saturacin. El nmero de tomos contenidos en cada dominio es de 1015 y el volumen del dominio aproximadamente de 10-9 cm.

En el caso del hierro, los dominios pueden considerarse formados por un cubo que tiene un tomo en cada vrtice y otro en el centro. La direccin en la que se produce ms fcilmente la magnetizacin es la de una de las aristas del cubo.

5.10 CAMPOS MAGNTICOS

El volumen de espacio que rodea a un imn y donde las fuerzas magnetizantes actan, se le conoce como campo magntico.

Un modelo de esta fuerza direccional se puede obtener llevando a cabo un experimento con limaduras de hierro. Una pieza de vidrio se coloca sobre un imn de barra y las limaduras de hierro son rociadas sobre el vidrio. La fuerza magnetizante del imn se har sentir a travs del vidrio y, cada limadura de hierro, se convertir en un imn temporal. Si la pieza de vidrio es golpeada suavemente, las partculas de hierro se alinearn con el campo magntico que rodea al imn, de igual manera a como lo hace la aguja de la brjula.

La forma de las limaduras se alinearn siguiendo un patrn definido, el cual es una representacin visible de las fuerzas que componen el campo magntico. Examinando el arreglo de las limaduras de hierro en las figuras 5-9 y 5-10 indicarn que el campo magntico es muy fuerte en los polos y se hace dbil a medida que nos distanciamos de los polos. Se observa que el campo magntico se extiende de un polo al otro, formando, as, un lazo alrededor del imn.

Figura 5-9.

Figura 5-10.

5.11 LNEAS DE FUERZA

Para entender de manera ms amplia el fenmeno del campo magntico de un imn, se utilizan lneas, las cuales representan la fuerza que ejerce un imn a su alrededor. Estas lneas, que se llaman lneas de fuerza magnticas, en realidad stas no existen, sino que nos sirven solamente para representar y describir la forma de los campos magnticos.

Las lneas de fuerza magntica se suponen que salen del polo Norte de un imn, pasan a travs del espacio circundante y entran por el polo Sur. Debemos observar que estas lneas viajan dentro del imn del polo Sur al polo Norte, completando de esta manera, un lazo cerrado. Ver la figura 5-11

Figura 5-11. Representacin de lneas de fuerza magntica alrededor de un imn.

Cuando dos polos magnticos se acercan a una distancia corta, la atraccin mutua o repulsin de los polos producir una forma ms complicada del campo magntico, comparndola con la forma de un solo imn. Estas lneas magnticas de fuerza pueden ser trazadas fcilmente, slo se necesita colocar una brjula en varios puntos a travs del campo magntico, o se puede realizar el experimento de otra forma sencilla y aproximada; se espolvorean limaduras de hierro como se indic en el apartado 5.10.

En la figura 5-12 podemos observar como se distribuyen las lneas de fuerza magntica (flujo magntico) alrededor de los dos imanes que se encuentran a corta distancia.

Figura 5-12. Representacin e interaccin del campo magntico entre dos imanes.

An cuando las lneas de fuerza magntica son imaginarias, son una herramienta muy valiosa que se tiene para simplificar y comprender muchos fenmenos magnticos; pues con estas representaciones se pueden explicar de una manera ms sencilla. Adems, con dichas representaciones, podemos suponer que las lneas magnticas de fuerza tienen ciertas propiedades reales.

Las lneas de fuerza magntica pueden ser compradas con una banda de hule, la cual se estira cuando una fuerza es ejercida sobre ella y se contraer cuando sta es removida. Las caractersticas de las lneas de fuerza magntica pueden ser descritas como sigue:

a) Las lneas de fuerza magntica son continuas y formarn lazos cerrados.

b) Las lneas de fuerza magntica nunca cruzarn entre s.

c) Las lneas de fuerza magntica en paralelo, viajarn en la misma direccin y se repelarn entre si. Las lneas que viajan en direcciones opuestas, tendern a unirse una a la otra en una sola lnea que viaja en una direccin determinada por los polos que crearon las lneas de fuerza.

d) Las lneas de fuerza magntica tienden a acortarse ellas mismas. Por lo tanto, las lneas de fuerza existentes entre dos polos de igual polaridad, causarn que los polos sean movidos.

e) Las lneas de fuerza pasan a travs de todos los materiales, ya sean magnticos o no magnticos.

f) Las lneas de fuerza magntica siempre entrarn o saldrn de un material magntico en ngulos rectos a la superficie.

El nmero total de lneas de fuerza magntica saliendo o entrando del polo de un imn, es llamado flujo magntico.

5.12 ELECTROMAGNETISMO

Las personas que en diferentes pocas investigaron y estudiaron las propiedades de la electricidad no concibieron que hubiera alguna relacin entre este tema y el magnetismo. Hasta fines del siglo XVIII estos dos campos fueron completamente ajenos.

Sin embargo, desde principios del mencionado siglo se inici la bsqueda de una posible relacin entre electricidad y magnetismo. Por ejemplo, como Franklin saba que cuando caa una tormenta haba efectos elctricos en la atmsfera, trat infructuosamente de magnetizar una aguja de hierro en una tormenta. Por otro lado, en el ao de 1774 la Academia Electoral de Baviera, en Alemania, ofreci un premio para la persona que resolviera la siguiente cuestin: Hay una analoga real y fsica entre las fuerzas elctricas y magnticas? En vano se trat de encontrar una respuesta afirmativa. Incluso Coulomb, que haba medido las fuerzas entre cargas elctricas por un lado y entre polos de imanes, por el otro, en la dcada de 1780 afirm que estas fuerzas eran de naturalezas fsicas distintas, a pesar de que sus magnitudes dependan de la distancia de la misma forma. Fue un profesor dans quien en 1820 obtuvo por primera vez una respuesta afirmativa a la cuestin propuesta.

Hans Christian Oersted (1777-1851), profesor de filosofa natural en la Universidad de Copenhague, inici en 1807 sus investigaciones sobre los efectos de la electricidad en la aguja magntica de una brjula. En ese ao, y posteriormente en 1812 public varios ensayos en los que argumentaba, apoyado en consideraciones filosficas, que la electricidad y el magnetismo deberan estar relacionados. Sus argumentos se basaban en la creencia de la unidad de todas las fuerzas de la naturaleza. Sin embargo, no present ningn resultado experimental que verificara sus conclusiones. Oersted estuvo consciente de esta falla en su argumentacin y trat de verificarla realizando una serie de experimentos con corrientes elctricas. Durante muchos aos Oersted no obtuvo ningn resultado positivo, en gran parte debido a que las fuentes de corriente de que dispona eran pilas voltaicas de muy baja intensidad. Despus de muchos aos, en 1820, durante una clase en que estaba presentando a sus alumnos ciertos experimentos elctricos, encontr que una corriente elctrica s tiene un efecto sobre un imn. La experiencia de Oersted fue la siguiente.

Coloc un alambre por el que circulaba corriente elctrica encima de una brjula y observ que la aguja se desviaba hacia el oeste. Enseguida coloc este alambre debajo de la brjula y vio que la aguja tambin se desviaba, pero ahora, hacia el este.

Oersted entonces concluy que para que la aguja imantada de la brjula se pudiera mover tuvo que experimentar una fuerza magntica, y que la corriente elctrica del alambre tuvo que generarla. Por lo tanto, una corriente elctrica produce un efecto magntico. Ahora bin, este efecto magntico de la corriente elctrica no puede quedar confinado dentro del alambre conductor, sino que tiene que estar esparcido en todo el espacio a su alrededor, para que llegue, por as decirlo, hasta donde est la aguja. Esta fue la primera vez que alguien mencion la idea de que el efecto magntico debe estar disperso en todo el espacio, y como veremos ms adelante constituye la idea bsica del campo magntico.

Oersted public estos resultados en un pequeo folleto de seis pginas en latn, como se acostumbraba en ese entonces, que envi a las diferentes sociedades cientficas europeas. Este trabajo caus inmediatamente sensacin, dio lugar a muchas interrogantes y estimul una rfaga de investigaciones, principalmente en Francia.

Los experimentos de Oersted se repitieron en muchos lugares, en particular en el Congreso de Investigadores Suizos que se llev a cabo en Ginebra, Suiza, en el verano de 1820, al que asisti el cientfico francs Francois Arago (1786-1853). A su regreso a Pars, Arago report a la Academia de Ciencias lo que presenci en Ginebra. Sus miembros oyeron estos resultados pero se mostraron muy escpticos, y slo se convencieron hasta que presenciaron una demostracin directa el 11 de septiembre. Una persona que estuvo presente en esa sesin fue Andr-Marie Ampere (1775-1836), amigo de Arago, profesor suplente en la Sorbona y gran matemtico.

An cuando a Oersted, generalmente se le acredita el descubrimiento del electromagnetismo, fue Francois Arago quien primero realiz el clsico experimento de las limaduras de hierro que se muestra en la figura 5-13. Un alambre es pasado a travs de una cartulina, despus, se hace circular una fuerte corriente directa por el alambre. Las limaduras de hierro son esparcidas sobre la cartulina, y cuando la cartulina es golpeada ligeramente, las limaduras se acomodan tomando una forma de lneas concntricas alrededor del alambre. As, de esta forma, podemos hacer visible la presencia del campo magntico. Este campo magntico es debido a la corriente elctrica a travs del alambre.

Oersted, sin embargo, demostr que la direccin del campo magntico depende de la direccin de la corriente elctrica, para esto, realiz un experimento similar al mostrado en la figura 5-13. En vez de limaduras de hierro, una brjula fue colocada en la vecindad del alambre. Cuando una corriente se hace circular a travs del alambre en una direccin, como lo muestra la figura 5-14, la aguja de la brjula apunta en una direccin. Cuando la corriente es invertida, la aguja tambin invertir su direccin., tal y como lo muestra la figura 5-15. De este modo se demuestra que, si una corriente fuera repetidamente invertida, el campo magntico seguira dichas inversiones.

Figura 5-13. Limaduras de hierro que demuestran la presencia de un campo magntico.

Figura 5-14. La corriente elctrica a travs del alambre causa el alineamiento del campo magntico. En este caso, detectado por la brjula.

Figura 5-15. Si la corriente se invierte, tambin el campo magntico

cambiar su alineacin. Esto es detectado por la brjula.

Ampere empez a investigar el efecto en su casa. Para empezar se dio cuenta de que Oersted no haba entendido correctamente el fenmeno, ya que no haba tomado en cuenta el efecto del magnetismo terrestre. Ampere dise entonces un experimento en el que ste fuera neutralizado. As encontr el verdadero efecto que tena la corriente elctrica sobre la aguja imantada: sta siempre se alinea en una direccin perpendicular a la direccin de la corriente elctrica.

Una semana despus de haber presenciado la demostracin de Arago, el 18 de septiembre, Ampere present a la Academia la primera de una serie de memorias de gran importancia; hizo sus presentaciones semanalmente hasta el 2 de noviembre y en cada ocasin anunci nuevos resultados. Adems de la correccin a los experimentos de Oersted, inform lo siguiente el 18 de septiembre (figura 5-16).

Arregl dos partes rectas de dos alambres conductores que estn unidos en sus extremos con dos pilas voltaicas, en direcciones paralelas. Un alambre estaba fijo y el otro suspendido sobre puntos, de manera que pudiera moverse hacia el alambre fijo o separarse de l, pero siempre paralelo a l. Observ entonces que cuando haca pasar una corriente de electricidad en ambos alambres simultneamente, se atraan cuando las corrientes tenan el mismo sentido y se repelan cuando tenan sentidos opuestos.

Figura 5-16. Esquema del experimento con el que Ampere descubri que dos alambres

(el GH y el BC) que conducen electricidad ejercen fuerza entre s.Ampere determin tambin que estas fuerzas entre los alambres que conducan corriente elctrica se deban a efectos magnticos; un alambre que conduce electricidad crea un efecto magntico a su alrededor (un campo), y el otro alambre, que tambin conduce corriente elctrica, experimenta una fuerza. Es decir, propuso que el magnetismo que produce la corriente elctrica en uno de los alambres genera a su vez una fuerza sobre el otro alambre que conduce electricidad. Pudo verificar que estas fuerzas no se deban a las cargas elctricas que circulaban por cada uno de los alambres. A partir de sus experimentos Ampere encontr que las fuerzas entre los alambres dependen de la magnitud de las corrientes que circulan por ellos. A mayor corriente en cada alambre, mayor ser la magnitud de la fuerza.

Posteriormente, Ampere descubri que aun si los alambres no eran paralelos tambin haba fuerzas entre ellos si ambos conducan corriente elctrica, y que las caractersticas de estas fuerzas dependan de la colocacin geomtrica en que se encontraran. Ampere encontr cmo calcular la fuerza electromagntica entre dos conductores de electricidad que tuvieran posiciones y formas arbitrarias. Esto se ha llamado la ley de Ampere y es una de las leyes fundamentales del electromagnetismo. Hemos de mencionar una salvedad para la aplicacin de esta ley: corno posteriormente Maxwell apreci, la ley de Ampere est restringida para el caso en que las corrientes que circulan por los alambres no cambien con el tiempo.

Maxwell pudo ampliar la ley de Ampere para que se pudiera aplicar en el caso de que las corrientes s varen al transcurrir el tiempo. Este descubrimiento de Ampere ha tenido una repercusin muy importante; como veremos ms adelante, este efecto es la base del funcionamiento de los motores elctricos.

En la misma serie de experimentos del otoo de 1820 Ampere se dio cuenta de que una aguja de imn poda detectar una corriente elctrica, y basndose en esta idea construy un instrumento al que llam galvanmetro, nombre que conserva hasta el da de hoy. Esta invencin de Ampere ha sido primordial ya que toda la ciencia y tecnologa del electromagnetismo no se hubieran podido desarrollar sin tener un instrumento que midiera corrientes elctricas. En su comunicacin a la Academia, Ampere dijo:

[...] faltaba un instrumento que nos permitiera detectar la presencia de una corriente elctrica en una pila o en un conductor y que indicara su intensidad y sentido. El instrumento ya existe; todo lo que se necesita es que la pila, o alguna porcin del conductor, se coloque horizontalmente, orientado en la direccin del meridiano magntico (N) y que la aguja de la brjula se coloque sobre la pila, ya sea arriba o abajo de la porcin del conductor [...] Creo que a este instrumento se le debera dar el nombre de "galvanmetro" y que debera ser usado en todos los experimentos con corrientes elctricas, [...] para poder ver en cada instante si existe una corriente e indicar su intensidad.

Antes de esta invencin de Ampere, la forma en que los experimentadores decidan si haba corriente era hacindola pasar por sus cuerpos; as, mientras ms fuerte fuera la sensacin que tenan, concluan que mayor era la intensidad de la corriente. Es claro que de esta forma la ciencia del electromagnetismo no hubiera llegado muy lejos. El galvanmetro inventado por Ampere se convirti rpidamente en un instrumento vital en la investigacin de fenmenos elctricos y magnticos. Posteriormente se mejor y adicion, pero las bases de su funcionamiento se han conservado.

Al enrollar un alambre conductor en forma cilndrica, con muchas vueltas, obtenemos un dispositivo que se llama solenoide o bobina. Si enseguida se conectan los extremos de la bobina a una pila voltaica, empieza a circular por el alambre una corriente elctrica. Resulta que la bobina produce un efecto magntico que no se puede distinguir del efecto producido por las barras de imn (figura 5-17) Si se colocan dos barras de imn debajo de una cartulina que tenga esparcidas homogneamente limaduras de hierro, entonces cada una de stas se imanta y empieza a moverse hasta que forman una configuracin caracterstica. Si se repite el experimento pero en lugar de la barra se coloca una bobina por la que circula corriente elctrica, entonces se observa que las limaduras de hierro empiezan a moverse y terminan en una configuracin idntica a la que haban formado con la barra de imn. Esto indica que la bobina se comporta como una barra de imn.

Figura 5-17. Cuando una corriente circula por una bobina, sta acta como un imn.

Con base en estas experiencias, Ampere lleg a la conviccin de que todos los fenmenos magnticos tienen su origen en el movimiento de cargas elctricas, incluyendo el magnetismo que produce un imn. La hiptesis que formul fue que el magnetismo no es ms que una corriente elctrica que se mueve en crculo. Para el caso de un imn, supuso que estas corrientes ocurren, hablando en el lenguaje de hoy en da, dentro de las molculas que forman al imn mismo.

En resumen, como consecuencia de los trabajos de Oersted y Ampere se descubri que una corriente elctrica tiene efectos magnticos idnticos a los que produce un imn. Adems, de la misma forma en que hay fuerzas entre imanes, tambin existen fuerzas entre alambres que conducen corrientes elctricas.

A partir de 1822 Ampere se dedic a formular matemticamente, con mucha precisin y elegancia, todos los descubrimientos que haba hecho. En el ao de 1826 public un libro, Teora de fenmenos electrodinmicos deducidos del experimento en donde presenta, de manera muy elaborada, los resultados de sus investigaciones. En el ao de 1825, Sturgeon demostr que si hierro dulce o suave es insertado dentro de una bobina que lleva corriente directa, el hierro es magnetizado, pero, esta magnetizacin, desaparece cuando la corriente es interrumpida. Esta importante combinacin de una barra de hierro dulce dentro de una bobina que lleva corriente, fue llamada electroimn. Ver la figura 5-18 que nos muestra uno de ellos.

Figura 5-18. Colocando una barra de hierro dulce dentro de una

bobina, se convierte en un electroimn.

Los trabajos de Ampere se difundieron rpidamente en todos los centros activos de investigacin de la poca, causando gran sensacin. Un joven investigador ingls, Michael Faraday (1791-1867) se empez a interesar en los fenmenos elctricos y repiti en su laboratorio los experimentos tanto de Oersted como de Ampere. Una vez que entendi cabalmente el fondo fsico de estos fenmenos, se plante la siguiente cuestin: de acuerdo con los descubrimientos de Oersted y Ampere se puede obtener magnetismo de la electricidad, ser posible que se obtenga electricidad del magnetismo? De inmediato inici una serie de experimentos para dar respuesta a esta pregunta. Siete aos despus, l desarroll un experimento como el que muestra la figura 5-19. En Agosto de 1831, l conect un solenoide a un galvanmetro y, moviendo un imn en forma de barra, dentro y fuera de la bobina, obtuvo una deflexin de la aguja del galvanmetro solamente s el imn estaba en movimiento relativo a la bobina.

Figura 5-19. Un imn movindose dentro y fuera de la bobina, generar una corriente elctrica.

En otras palabras, l prob que, siempre que las lneas de fuerza magntica pasaran a travs o cortaran el devanado (enrollamiento) de una bobina, una corriente se produca en el circuito. Si el imn es reemplazado por el electroimn de Sturgeon y es movido dentro y fuera del solenoide, tal como lo muestra la figura 5-20, el efecto sera exactamente igual. Tambin fue descubierto que la magnitud de la corriente inducida es proporcional a la velocidad a la cual se mueve el imn.

Figura 5-20. Un electroimn movindose dentro y fuera de una

bobina, generar una corriente elctrica en ella.As, en el galvanmetro, la deflexin en la aguja es ms grande cuando la relacin de movimiento es ms rpida, y es cero cuando no existe ningn movimiento.

Podemos decir sin lugar a dudas que la ms importante de las leyes electromagnticas en la construccin de mquinas elctricas es la de induccin electromagntica que fue descubierta por Michael Faraday en 1831. Este descubrimiento fundamental vino a satisfacer las necesidades de su poca, ya que en 1832, un ao despus, un inventor annimo (conocido slo por M.P..) y los hermanos Pixii, y en 1833 el fsico Richey, idearon los primeros diseos de los generadores elctricos de corriente directa, basados en las leyes de la induccin.

Segn fue aumentando el uso de energa elctrica y amplindose continuamente su campo de aplicaciones se fueron evidenciando y agudizando los inconvenientes de la distribucin de la energa de corriente directa. En consecuencia, durante los primeros 70 aos se hicieron tentativas para utilizar la energa elctrica en forma de corriente alterna. Estos intentos encontraron una fuerte oposicin de los especialistas, lo que se explica en parte por su insuficiente conocimiento de los fenmenos que tienen lugar en los circuitos de corriente alterna. Por ejemplo, Edison, eminente autoridad en la materia en aquellos tiempos, dictamin que la colocacin de cables de corriente alterna en canalizaciones hechas en calles de una ciudad era equivalente a poner minas de dinamita debajo de la calzada.

Cuenta la historia que en Diciembre de 1878, Nikola Tesla, eminente ingeniero electricista de origen yugoslavo, estudiaba en el Instituto Politcnico de Gratz, Austria; en ese entonces, Tesla tena 19 aos. En una de sus clases, su profesor de apellido Peoschel, presenta la nueva mquina de Gramme. El conmutador chisporroteaba mucho. Tesla seal

esto como una imperfeccin de la mquina y enfatiz la necesidad de inventar una sin conmutador. El profesor Peoschel rechaz la idea de una mquina operable sin conmutador comparndola con el perpetum mobile (movimiento perpetuo). A Tesla le tom siete aos encontrar la respuesta al reto que se haba propuesto, elaborar una mquina sin conmutador recurriendo al uso de la corriente alterna, de la que se crea no podra sustituir a la corriente directa. Tesla se vio en la necesidad de abandonar sus estudios en Gratz y despus los de Praga. Trasladado a Budapest obtuvo un trabajo en el sistema telefnico hngaro. En la Central Telefnica de Budapest se distingui por su valiosa aportacin al perfeccionamiento de diversos aparatos telefnicos y telegrficos; sin embargo, el incidente con el profesor Peoschel estaba ah, insistente. l deba construir un motor sin conmutador alimentado con corriente alterna. Tesla haba hecho una gran amistad con el seor Szigety, compaero de trabajo con quien recorra por las tardes los prados sombreados del parque central capitalino. Una de esas tardes, entre profundas cavilaciones tcnicas y cientficas y recuerdos literarios se detuvo, interrumpi la declamacin de un pasaje del Fausto de Goethe y, absorto, slo le pidi a Szigety que cuidara sus pasos. Su cuerpo y espritu se encontraban en meridianos diferentes; aqul en la tierra firme del parque central; ste en los crculos superiores de la creacin. La idea del campo magntico giratorio sobrevolaba su conciencia; haba inventado el motor de corriente alterna.

Como se mencion anteriormente, con el importante descubrimiento de Faraday, se dej atrs el viejo sistema de generacin de energa a base de vapor y se inici la era de la electricidad. La industria elctrica se desarroll principalmente con base en la corriente directa. El radio de accin de una planta de corriente directa aument cien veces con relacin a la transmisin directa generador-receptor. Por ejemplo, en los aos 80 del siglo XIX se utilizaba en Nueva York 2000 centrales para el servicio de alumbrado pblico y domstico a base de las lmparas incandescentes de Edison. Sin embargo, esa enorme cantidad de centrales ocasionaba una nociva contaminacin ambiental, ya que no se utilizaban fuentes de energa de origen hidrulico.

Ante la imposibilidad de generar corriente directa en altos potenciales (los problemas de aislamiento entre los segmentos o delgas del conmutador eran una limitante muy seria), se idearon sistemas de conexin en serie de estas mquinas y el uso de lmparas de arco para el alumbrado pblico.

La cada de voltaje y las prdidas por el efecto Joule exigan conductores seguros. Tesla propuso la corriente alterna y el sistema polifsico en corriente alterna para salvar estas dificultades. Con la corriente alterna se podran cubrir decenas y centenas de kilmetros, desde las fuentes originales de energa (corrientes de agua, minas de carbn, etc.), hasta las grandes ciudades y las zonas industriales.

Por esto, es de las ms notables la audaz iniciativa que tuvo el cientfico ruso P.N. Yablochkov, quien en 1878 construy la primera planta comercial para la alimentacin de un nuevo tipo de lmpara elctrica inventada por l y conocida por buja Yablochkov. Para esta nueva central de energa. Yablochkov cre, en cooperacin con los talleres Gramme Engineering Works de Francia, un generador sincrnico, que fue el prototipo de los modernos alternadores sincrnicos; y luego, para mejorar el trabajo de instalacin, invento tambin un transformador que tena un circuito magntico abierto. Aunque fue impugnada la originalidad de este invento, las patentes concedidas a Yablochkov en 1876 y 1877, la evidencia del relato de Fontaine sobre la iluminacin en la Exposicin Mundial de Pars y el informe publicado por la Compaa francesa de Iluminacin Elctrica, no dejan lugar a dudas de que Yablochkov es el inventor del aparato ms importante en la historia de la ingeniera elctrica, el transformador, y que fue el primer ingeniero que la utiliz en una planta comercial.

Las valiosas propiedades del transformador se hicieron tan obvias que las instalaciones de alumbrado con corriente alterna y transformadores, as como los propios transformadores, alcanzaron muy rpidamente gran difusin. Ya en 1882, en la exposicin industrial rusa, I. F. Usagin, utilizando los transformadores Yablochkov, demostr no slo que se poda utilizar la energa de la corriente alterna para fines de alumbrado, sino que era posible convertirla en energa mecnica y en energa trmica. Este nuevo invento dio gran mpetu al desarrollo de la ingeniera de corriente alterna.

Para mejorar el funcionamiento del transformador, los ingenieros Zipernowsky, Blathy y Dri (de Ganz Ltd. de Budapest) inventaron y patentaron en 1885 transformadores monofsicos de tipo seco con ncleos cerrados con alambres aislados. Es significativo que en la actualidad se construyan los transformadores, sin variacin esencial en la disposicin de sus elementos, como se lanzaron al mercado por la casa Ganz.

Despus de esto. El adelanto en la construccin del transformador sigui una marcha rpida. En 1891, el ingeniero ruso Dolivo-Dobrovolsky trabajando en los problemas del sistema de corriente trifsica, que antes haba ideado, sugiri la disposicin, que actualmente es convencional, de las ramas del ncleo del transformador coplanarias.

En el mismo ao, Brown, director de los talleres Oerlikon de Suiza, construy el primer transformador de 30 kV sumergido en aceite, que era una tensin muy alta en aquel tiempo. Desde entonces, prcticamente todas las centrales de energa elctrica utilizan transformadores en aceite.

Como hemos visto, el electromagnetismo es uno de los grandes descubrimientos que ha hecho el hombre. Lo podemos ver en miles de aplicaciones todos los das. Para que tomes conciencia de este hecho, en tu casa debe haber, por lo menos, tres motores elctricos.

Aun y cuando en el siguiente captulo, que es el 6, vamos a estudiar a detalle la propiedad de los circuitos elctricos llamada inductancia, cuyo fundamento fsico es el electromagnetismo, adelantmonos observando algunas relaciones que existen entre la corriente elctrica y el magnetismo.

En la figura 5-21 podemos observar un conductor que lleva corriente, para encontrar la direccin del campo magntico que lo rodea, slo basta aplicar la regla de la mano izquierda para conductores, regla que se llama de Ampere. En dicha regla, el dedo pulgar nos indicar la direccin de la corriente y, los dedos restantes, nos indicarn el sentido del campo. En la figura 5-22 se observa un solenoide (bobina con ncleo de aire) que lleva corriente. Para conocer la direccin o polaridad de ste, slo tenemos que aplicar la regla de la mano izquierda para bobinas. Examinndola, vemos que el dedo pulgar indicar el polo Norte, mientras que los dems dedos restantes, indicarn el sentido de la corriente: La regla de la mano izquierda slo se aplica al sentido de corriente electrnico.

Figura 5-21. Direccin del campo magntico que rodea a un conductor que

lleva corriente de sentido electrnico.

Figura 5-21. Regla de la mano izquierda para encontrar el polo Norte de una bobina.PAGE 20