RELACCIÓN ENTRE EL CAMPO ELÉCTRICO Y EL MAGNÉTICO

RELACCIÓN ENTRE EL CAMPO ELÉCTRICO Y EL MAGNÉTICO

1. MAGNETISMO

El fenómeno del magnetismo se conoce desde hace más de 2.000 años. Se descubrió en Magnesia. Sin embargo hasta el experimento de Oersted no se estableció la relación del magnetismo con el campo eléctrico.

1.1 EL EXPERIMENTO DE OERSTED

La región del espacio donde un imán puede ejercer fuerzas sobre las sustancias magnéticas se denomina campo magnético.

Una brújula está formada por una caja en cuyo interior hay una aguja imantada que puede girar libremente y detectar influencias magnéticas a su alrededor. Si no se encuentra en un campo magnético, la aguja señala al norte. Si por el contrario la brújula está inmersa en un campo magnético, la aguja se orienta en la dirección del mismo.

El físico danés H.C Oersted estudiaba la relación existente entre los imanes y las corrientes eléctricas. Para ello, preparó un montaje en el que se hacía pasar una corriente eléctrica por un hilo metálico, debajo del cual había colocado una brújula.

La corriente eléctrica ejerce una fuerza sobre el imán de la brújula, consiguiendo que cambie la dirección de su aguja. En un principio estaba orientada paralelamente al hilo conductor, y cuando se ha cerrado el circuito, se ha orientado perpendicularmente. Oersted interpretó este fenómeno suponiendo que la corriente eléctrica creaba un campo magnético igual al que crean los imanes.

1.2 CAMPO MAGNÉTICO CREADO POR UNA CORRIENTE RECTILÍNEA. 

La relación entre corrientes electricas y campos magnéticos fue deducida en 1820 por Biot y Savat mediante observaciones experimentales.

Ley de Bioy-Savat. El valor de la inducción magnética (B) en un punto situado a una distancia a del conductor por el que circula una corriente eléctrica es el siguiente:

B=K l/a 

Donde:

- a es la distancia del punto al conductor donde circula la corriente

- l es la intensidad de corriente que circula por la línea en amperios.

- K es una constante con valor µ0/2π donde µ0=4 π10-7H/m

Para calcular la dirección y sentido de las líneas del campo magnético se emplea la regla de la mano derecha o sacacorchos.

1.3 CAMPO CREADO POR UNA CORRIENTE CIRCULAR. 

El campo creado por una corriente rectilínea es muy disperso y, por tanto, muy débil. Para aumentar su valor se puede disponer el conductor en forma de anillo o espira.

B= µ0 l/2r 

Donde:

- r es el radio de la espira

- l es la intensidad de corriente en amperios.

- µ0 es la permeabilidad en el vacio 4 π10-7H/m

1.4 CAMPO MAGNÉTICO CREADO POR UNA BOBINA O SOLENOIDE

En las máquinas eléctricas, para aumentar el campo magnético (CM), los conductores se disponen en forma de bobina, de tal manera que el campo magnético final sea la suma de los campos magnéticos creados por cada una de las espiras que forma la bobina. El campo magnético en el interior de la bobina es:

B= µ0 NI/L 

Donde:

- B es la inducción magnética (teslas)

- N es el número de espiras

- l es la intensidad de corriente en amperios.

- µ0 es la permeabilidad en el vacío 4 π10-7H/m

- L es la longitud del solenoide (metros)

Con esta expresión determinamos el campo magnético en el interior de la bobina si el núcleo es aire. Si utilizamos otro material, esta permeabilidad habrá que multiplicarla por la relativa de dicho material.

2. FUERZA ELECTOMOTRIZ INDUCIDA 

Una corriente genera un campo magnético. ¿Puede un campo magnético generar una corriente?

La respuesta es sí.

• Desplazando el imán hacia la espira, aparece una corriente en la misma 
• La corriente desaparece cuando se detiene el imán
• Cuando alejamos el imán aparece una corriente en sentido opuesto
• Un movimiento más rápido genera una corriente mayor

2.1 EXPERIMENTO DE FARADAY

Los experimentos desarrollados por Faraday en 1831, mostraron que es posible inducir una fuerza electromotriz (fem) en un circuito utilizando un campo magnético variable. Esta es una ley básica e importante del electromagnetismo que se conoce como la Ley de inducción de Faraday.

El experimento desarrollado por Faraday consistió en una bobina primaria enrollada alrededor de una anillo de hierro y conectada a un interruptor y a una batería. 

Una corriente en la bobina produce un campo magnético al cerrarse el interruptor. Una bobina secundaria también está enrollada en el anillo y se encentra conectada a un amperímetro.

En el circuito secundario no hay batería alguna y la bobina secundaria no está conectada eléctricamente con la bobina primaria, entonces cualquier corriente detectada en el circuito secundario debe haberse inducido por algún agente externo.

Cuando se cierra el interruptor la lectura del amperímetro cambia de cero en una dirección y después regresa a cero. Cuando se abre el amperímetro cambia en la otra dirección y regresa a cero nuevamente.

La FEM es directamente proporcional a la rapidez de cambio con el tiempo del flujo magnético a través de la espira.

E= - (ᴧՓ)/ᴧt (Ley de Faraday)

La ley de Lenz completa a la de Faraday :” El sentido de una fuerza electromotriz (FEM) inducida se opone a la causa (el paso de corriente) que la produce.”

3. FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ

El funcionamiento como motor eléctrico encierra un concepto un poco más complejo, la fuerza electromotriz inducida que se opone a la tensión aplicada al motor para hacer que éste funcione. Es decir, además de provocar el buscado movimiento rotativo utilizando el principio de Faraday, nos encontramos con que en los devanados del rotor se induce una corriente eléctrica debido al movimiento de las espiras del rotor en el seno del campo magnético del estator. 

Aplicando la regla de la mano izquierda se encuentra que la espira es impulsada hacia un sentido señalado, pero al moverse los conductores que la forman dentro del campo se inducirá una FEM cuyo sentido se encuentra con la regla de la mano derecha y el sentido de la tal es opuesto al de la corriente principal. Por tal motivo a esa FEM se la llama fuerza contra-electromotriz, y obliga a aumentar la tensión aplicada al motor para que se asegure la circulación de corriente en el rotor. Si una espira corta a un flujo a razón de Φ revoluciones por minuto, la FEM inducida tendrá el valor de:

e=pΦη

Siendo:

- p número de polos

- Φ flujo

- η revoluciones por minuto (RPM)