Pasa a la sección titulada Magnetismo Causado por Corrientes Eléctricas. [pause] En esta sección, vas a estudiar cómo producen magnetismo las corrientes eléctricas. Vas a conocer los solenoides y los electroimanes, dos dispositivos que usan la electricidad para generar campos magnéticos. También te vamos a presentar el concepto de los dominios. Por último, vas a examinar los dispositivos que utilizan el campo magnético producido por corrientes eléctricas. Dichos dispositivos se denominan dispositivos electromagnéticos. En el siglo XVIII, la gente se dio cuenta de que un rayo podía cambiar la dirección de la aguja de una brújula. La gente también observó que las cazuelas de hierro a veces se imantaban durante las tormentas de rayos. Esas observaciones sugerían que había una relación entre electricidad y magnetismo, pero esa relación no se comprendió hasta 1820. En 1820, el profesor de ciencias danés Hans Christian Oersted fue el primero en experimentar con los efectos de una corriente eléctrica en la aguja de una brújula. Oersted descubrió que el magnetismo se produce por cargas en movimiento. En la Figura 6, se muestra que una corriente eléctrica produce un campo magnético. El cable de esta figura es portador de una corriente eléctrica. Fíjate en lo que ocurre cuando se colocan limaduras de hierro cerca de este cable. Como puedes ver en la Figura 6, el campo magnético provoca que las limaduras de hierro se organicen de una forma característica alrededor del cable. Ya aprendiste en la sección anterior que los pedazos de hierro se alinean a un campo magnético. Examina la organización de las limaduras de hierro de la Figura 6. Qué tipo de dibujo forman esas limaduras de hierro? [pause] Si tu respuesta fue que esas limaduras se alinean en círculos concéntricos, estabas en lo cierto. Esta organización de las limaduras de hierro sugiere que la corriente eléctrica que pasa por el cable produce un campo magnético. Este campo magnético hace que las limaduras de hierro formen círculos concéntricos alrededor del cable. Si colocaras una brújula cerca de un cable portador de corriente, verías Magnetism 7
que la aguja señalaría a una dirección tangente a los círculos de limaduras de hierro. Eso es lo que hizo Oersted. Mira la página siguiente. [pause] Un cable portador de corriente produce un campo magnético circular. Pero, la dirección de ese campo magnético tiene el sentido de las manecillas del reloj o el contrario? Una forma simple de predecir la dirección es usar la regla del pulgar. La regla del pulgar dice que si sostuvieras el cable con tu mano derecha y tu dedo pulgar señalara en la dirección de la corriente positiva, tus dedos se curvarían en la dirección del campo magnético. En la Figura 7 se ilustra la regla del pulgar. Fíjate en ella. Observa que el cable está sujeto por la mano derecha con el pulgar señalando hacia arriba en la dirección de la corriente. Observa cómo los dedos rodean el cable. Los dedos señalan en la dirección del campo magnético. En este caso, la dirección del campo magnético tiene el sentido contrario al de las manecillas del reloj. Ahora, imagínate que la corriente pasa por el cable de la Figura 7 en dirección hacia abajo, hacia la parte inferior de la página. En este caso, el cable estaría sujeto con la mano derecha de forma que el pulgar señalaría hacia abajo, en la dirección de la corriente eléctrica. En esta situación, el campo magnético señalaría en el sentido de las manecillas del reloj. Recuerda: nunca agarres ni toques un cable no aislado. Te podrías electrocutar. El campo magnético de un cable enrollado se parece al campo magnético de un imán recto. Como demostró Oersted, el campo magnético de un cable portador de corriente ejerce una fuerza sobre la aguja de una brújula. Esta fuerza hace que la aguja de la brújula gire en la dirección del campo magnético del cable. No obstante, esta fuerza magnética es muy débil. Una forma de aumentar la fuerza del campo magnético es aumentar la corriente del cable, pero las altas corrientes pueden provocar incendios. Una forma más segura de crear una gran fuerza magnética es enrollar el cable alrededor de una bobina. Observa cómo Magnetism 8
se ha colocado el cable de la Figura 8 alrededor de una bobina. El cable enrollado forma un dispositivo llamado solenoide. Un solenoide es una bobina larga de cable aislado. En un solenoide, el campo magnético de cada bucle de cable se suma a la fuerza del campo magnético del siguiente bucle. Como hay muchas bobinas presentes en un solenoide, el resultado es un fuerte campo magnético similar al campo magnético producido por un imán recto. Fíjate, en la Figura 8, en que un solenoide tiene incluso un polo norte y un polo sur, como un imán. Pasa a la página siguiente. [pause] La fuerza del campo magnético de un solenoide depende de dos factores. Un factor es el número de bucles del cable. El segundo factor es la cantidad de corriente que pasa a través del cable. Cuanto mayor sea el número de bucles o mayor sea la corriente, más fuerte será el campo magnético. Otra forma de aumentar la fuerza del campo magnético de un solenoide es introducir una varilla de hierro por el centro de sus bobinas. En realidad, se puede usar cualquier metal potencialmente magnético en lugar de hierro. El dispositivo formado por un solenoide y un metal magnético se denomina electroimán. Un electroimán es un fuerte imán que se crea cuando se introduce un metal magnético en el centro de un solenoide portador de corriente. El campo magnético del solenoide hace que la varilla de metal también se transforme en un imán. Por lo tanto, un electroimán crea un campo magnético más fuerte que un solenoide solo. El movimiento de las cargas es lo que provoca todo el magnetismo. Por ejemplo: el movimiento de las partículas cargadas es el responsable de las propiedades magnéticas de un imán recto. Pero, qué cargas se están moviendo en un imán recto? Ya aprendiste en el capítulo sobre Los átomos y la tabla periódica que los electrones son partículas de carga negativa que giran alrededor del núcleo de un átomo. Todos los electrones tienen una propiedad llamada rotación de electrón. La rotación del electrón produce un minúsculo Magnetism 9
campo magnético alrededor de cada electrón. En algunos átomos, los campos magnéticos producidos por los electrones en movimiento se anulan los unos a los otros. Los materiales que contienen esos tipos de átomos no son magnéticos. Sin embargo, en los átomos de hierro, níquel y cobalto, no todos los campos magnéticos de los electrones que giran se anulan. Por lo tanto, los materiales que contienen átomos de hierro, níquel o cobalto son magnéticos. Mira la página siguiente. [pause] Recuerda que la aguja de una brújula gira para alinearse a un campo magnético. De forma similar, los átomos magnéticos giran para alinearse a los campos magnéticos de los átomos más próximos. El resultado es la formación de pequeñas zonas dentro del material llamadas dominios. Un dominio es una zona microscópica compuesta de un grupo de átomos cuyos campos magnéticos están alineados en la misma dirección. Observa la Figura 9A. Fíjate en que los campos magnéticos de los dominios que contiene un pedazo de hierro no imantado no están alineados. Sabes que no están alineados por las flechas de la Figura 9A. Todas estas flechas señalan direcciones distintas. Fíjate, en la Figura 9B, en lo que ocurre cuando se coloca un fuerte imán cerca del hierro. El imán hace que los dominios se alineen más cerca del campo magnético. Busca los tres dominios de la Figura 9B en donde los campos magnéticos se hayan alineado más cerca unos de otros. [pause] Observa que la dirección de los dominios se hace más uniforme y que el pedazo de hierro se imanta. Ahora, vamos a echar un vistazo a algunos dispositivos electromagnéticos. Hay muchos aparatos modernos que utilizan dispositivos electromagnéticos. Dos ejemplos son los secadores de pelo y los altavoces estéreo. Hay muchos instrumentos científicos que también emplean electroimanes. Los galvanómetros son dispositivos que sirven para medir la corriente en amperímetros y el voltaje en voltímetros. Un galvanómetro puede detectar el movimiento de las cargas en un circuito. En la Figura 10, se muestran los componentes básicos del interior Magnetism 10
de un galvanómetro. Observa, en la Figura 10, que un galvanómetro consta de un cable aislado enrollado alrededor de un núcleo de hierro. El núcleo de hierro puede girar entre los polos de un imán permanente. Reflexiona sobre lo que ocurrirá cuando se conecte un galvanómetro a un circuito. Pasa a la página siguiente. [pause] Cuando se conecte un galvanómetro a un circuito, pasará una corriente por la bobina de cable. Como consecuencia, la bobina y el núcleo de hierro se comportarán como un electroimán y producirán un campo magnético. Este campo magnético entrará en contacto con el campo magnético producido por el imán permanente circundante. Las fuerzas resultantes harán girar al núcleo de hierro. Recuerda que, cuanto mayor sea la corriente que pasa a través de un electroimán, más fuerte será su campo magnético. Si el campo magnético del núcleo es fuerte, la fuerza del núcleo será grande. Como consecuencia, el núcleo girará un gran ángulo. Una aguja se extiende desde el núcleo a una escala. Mientras gira el núcleo, la aguja se mueve por la escala. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será el movimiento de la aguja por la escala. Un motor eléctrico es un dispositivo que convierte energía eléctrica en energía mecánica. Los motores eléctricos son otro tipo de dispositivo que usa la fuerza magnética para provocar movimiento. En la Figura 11, se ilustra un motor simple de corriente directa o DC. La flecha de la Figura 11 muestra que la bobina de cable de un motor DC gira cuando hay una corriente en el cable. Recuerda que la bobina y el núcleo de un galvanómetro giran hacia atrás y hacia adelante, provocando que una aguja se mueva por una escala. Pero la bobina de un motor eléctrico sigue girando. Si la bobina está conectada a un eje, puede moverlo. El extremo del eje puede estar conectado a un propulsor o a una rueda. Este diseño se usa mucho en los juguetes mecánicos. Magnetism 11
Busca el conmutador en la Figura 11. [pause] Un conmutador es un dispositivo que cambia la dirección de la corriente cada vez que la bobina plana gira media revolución. Observa, en la Figura 11, que este conmutador consta de dos medios anillos de metal. Los dispositivos llamados escobillas conectan los cables al conmutador. Observa, en la Figura 11, que las dos mitades del conmutador están separadas por ranuras. Como consecuencia, las cargas tienen que pasar a través de la bobina de cable para llegar a la mitad opuesta del anillo de metal. Sigue con el dedo el recorrido que tiene que hacer la corriente dentro de un motor eléctrico, empezando por el polo positivo de la batería. [pause] Cuando la bobina y el conmutador giran, las escobillas entran en contacto con un lado distinto del anillo de metal. Como resultado, la corriente de la bobina cambia de dirección. Al cambiar la dirección de la corriente que pasa por la bobina, también cambia la dirección del campo magnético producido por la bobina. De esta forma, la bobina será repelida, alternativamente, por el polo norte y el polo sur del imán que lo rodea. Como la corriente sigue invirtiendo su dirección, el bucle gira en una dirección. Si la corriente no cambiara de dirección, el bucle sólo avanzaría y retrocedería en el campo magnético. La fricción terminaría por provocar que la bobina acabara por quedarse inmóvil. Mira la página siguiente. [pause] Las fuerzas magnéticas pueden provocar el movimiento que produce ondas sonoras. Así es como funcionan la mayoría de los altavoces estéreos, como el de la Figura 12. En esta figura, puedes observar que un altavoz contiene un imán permanente y una bobina de cable pegados a un cono de papel flexible. Cuando pasa una corriente por la bobina, se produce un campo magnético. Este campo reacciona con el campo del imán permanente. Como consecuencia, la bobina y el cono se mueven en una dirección. Cuando la corriente de la bobina invierte su dirección, la fuerza magnética de la bobina también invierte su dirección. Como resultado, la bobina y el cono se mueven en la dirección opuesta. Magnetism 12
Estas fuerzas alternativas hacia atrás y hacia adelante en el cono del altavoz hacen que éste vibre. Al variar la magnitud de la corriente, cambia la magnitud de la vibración de la bobina y del cono. Dichas vibraciones producen ondas sonoras en el aire. De esta forma, una señal eléctrica se convierte en una onda sonora. Ahora, vamos a repasar los conceptos clave de esta sección enumerados en el Resumen. Se produce un campo magnético alrededor de un cable portador de corriente. Un solenoide portador de corriente posee un campo magnético similar al de un imán recto. Un electroimán consta de un solenoide portador de corriente con un núcleo de hierro. Un dominio es un grupo de átomos cuyos campos magnéticos están alineados. Los galvanómetros miden la corriente de un circuito utilizando el campo magnético producido por una corriente en una bobina. Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica. ******************************** Magnetism 13