Electroimán: composición, partes, cómo funciona y aplicaciones
Un electroimán es un dispositivo que produce magnetismo a partir de la corriente eléctrica. Si la corriente eléctrica cesa, entonces también desaparece el campo magnético. En 1820 se descubrió que una corriente eléctrica produce en su entorno un campo magnético. Cuatro años después se inventó y construyó el primer electroimán.
El primer electroimán consistió en una herradura de hierro pintada con barniz aislante, y sobre el mismo se arrollaron dieciocho vueltas de alambre de cobre sin aislante eléctrico.
Los electroimanes modernos pueden tener variadas formas dependiendo del uso final que se les vaya a dar; y es el cable el que va aislado con barniz y no el núcleo de hierro. La forma más común del núcleo de hierro es la cilíndrica, sobre la cual se enrolla el alambre de cobre aislado.
Se puede hacer un electroimán solo con el embobinado produciendo un campo magnético, pero el núcleo de hierro multiplica la intensidad del campo.
Cuando la corriente eléctrica pasa por el bobinado de un electroimán el núcleo de hierro se magnetiza. Es decir, que los momentos magnéticos intrínsecos del material se alinean y se suman intensificando el campo magnético total.
El magnetismo como tal se conoce por lo menos desde el 600 a.C., cuando el griego Tales de Mileto habla detalladamente del imán. La magnetita, un mineral del hierro, produce magnetismo de forma natural y permanente.
Índice del artículo
- 1 Ventajas de los electroimanes
- 2 Composición y partes de un electroimán
- 3 ¿Cómo funciona?
- 4 Aplicaciones de los electroimanes
- 5 Referencias
Una ventaja indudable de los electroimanes es que el campo magnético puede establecerse, aumentarse, disminuirse o quitarse por medio del control de la corriente eléctrica. Al momento de fabricar imanes permanentes, los electroimanes son necesarios.
Ahora bien, ¿por qué sucede esto? La respuesta está en que el magnetismo es intrínseco a la materia al igual que lo es a la electricidad, pero ambos fenómenos se manifiestan solo bajo determinadas condiciones.
Sin embargo, puede decirse que la fuente del campo magnético son las cargas eléctricas en movimiento o corriente eléctrica. En el interior de la materia, a nivel atómico y molecular, se producen estas corrientes que producen campos magnéticos en todas direcciones que se anulan entre sí. Por eso los materiales normalmente no muestran magnetismo.
La mejor forma de explicarlo es pensar que en el interior de la materia se alojan pequeños imanes (momentos magnéticos) que apuntan en todas direcciones, por lo que su efecto macroscópico se anula.
En los materiales ferromagnéticos, los momentos magnéticos pueden alinearse y formar regiones denominadas dominios magnéticos. Cuando un campo externo es aplicado, estos dominios se alinean.
Cuando se retira el campo externo, estos dominios no retornan a su posición aleatoria original, sino que permanecen parcialmente alineados. De esta forma el material se magnetiza y forma un imán permanente.
Un electroimán está compuesto de:
– Un bobinado de cable aislado con barniz.
– Un núcleo de hierro (opcional).
– Una fuente de corriente, que puede ser continua o alterna.
El bobinado es el conductor por el que pasa la corriente que produce el campo magnético y se enrolla en forma de resorte.
En el bobinado, las espiras o vueltas suelen estar muy juntas. Por eso es extremadamente importante que el cable con el que se realiza el bobinado tenga aislante eléctrico, lo cual se logra con un barnizado especial. La finalidad del barnizado es que aún cuando las espiras se agrupen y se toquen unas con otras, se mantengan eléctricamente aisladas y la corriente siga su curso en espiral.
Cuanto mayor grosor tenga el conductor del bobinado, mayor intensidad de corriente soportará el cable, pero limita el número total de espiras que pueden arrollarse. Es por esta razón que muchas bobinas de electroimán usan un cable delgado.
El campo magnético producido será proporcional a la corriente que pase por el conductor del bobinado y también proporcional a la densidad de espiras. Esto significa que cuantas más espiras por unidad de longitud se coloquen mayor será la intensidad del campo.
Cuanto más apretadas esténn las espiras del bobinado, mayor será el número que quepa en una longitud dada, aumentando su densidad y por tanto el campo resultante. Esta es otra de las razones por la que los electroimanes usan cable aislado con barniz en vez de plástico u otro material, que le añadiría grosor.
En un solenoide o electroimán cilíndrico como el que se muestra en la figura 2, la intensidad del campo magnético estará dado por la siguiente relación:
B = μ⋅n⋅I
Donde B es el campo magnético (o inducción magnética), que en unidades del sistema internacional se mide en Tesla, μ es la permeabilidad magnética del núcleo, n es la densidad de espiras o número de espiras por cada metro y por último la corriente I que circula por el embobinado que se mide en amperios (A).
La permeabilidad magnética del núcleo de hierro depende de la aleación del mismo y suele ser entre 200 y 5000 veces la permeabilidad del aire. En este mismo factor se multiplica el campo resultante respecto al de un electroimán sin núcleo de hierro. La permeabilidad del aire es aproximadamente igual a la del vacío, que es μ0= 1,26×10-6 T*m/A.
Para entender el funcionamiento de un electroimán es necesario comprender la física del magnetismo.
Comencemos por un simple cable recto que transporta una corriente I, esta corriente produce un campo magnético B alrededor del cable.
Las líneas de campo magnético alrededor del cable recto son círculos concéntricos alrededor del cable conductor. Las líneas de campo cumplen la regla de la mano derecha, esto es, que si el pulgar de la mano derecha apunta en la dirección de la corriente los otros cuatro dedos de la mano derecha indicarán el sentido de circulación de las líneas de campo magnético.
El campo magnético debido a un cable recto a una distancia r del mismo es:
Supongamos que doblamos el cable de modo que forme un círculo o espira, entonces las líneas de campo magnético de la parte interior del mismo se juntan apuntando todas en la misma dirección, sumándose y reforzándose. En la parte interior del loop o círculo el campo es más intenso que en la parte exterior, donde las líneas de campo se separan y se debilitan.
El campo magnético resultante en el centro de una espira de radio a que transporta una corriente I es:
El efecto se va multiplicando si cada vez doblamos el cable para que tenga dos, tres, cuatro, …y muchas vueltas. Cuando enrollamos el cable en forma de resorte con espiras muy juntas el campo magnético en el interior del resorte es uniforme y muy intenso, mientras en la parte externa es prácticamente cero.
Supongamos que enrollamos el cable en una espiral de 30 vueltas en 1 cm de largo y 1 cm de diámetro. Esto da una densidad de espiras de 3000 vueltas por metro.
En un solenoide ideal el campo magnético en su interior está dado por:
Resumiendo, nuestros cálculos para un cable que conduce 1 amperio de corriente y calculando el campo magnético en microteslas, siempre a 0,5 cm de distancia al cable en diferentes configuraciones:
- Cable recto: 40 microteslas.
- Cable en un círculo de 1 cm de diámetro: 125 microteslas.
- Espiral de 300 vueltas en 1 cm: 3770 microteslas = 0,003770 Tesla.
Pero si añadimos a la espiral un núcleo de hierro con permitividad relativa de 100, entonces el campo se multiplica 100 veces, es decir 0,37 Tesla.
También es posible calcular la fuerza que el electroimán en forma solenoidal ejerce sobre una sección del núcleo de hierro de sección transversal A:
Suponiendo un campo magnético de saturación de 1,6 Tesla, la fuerza por metro cuadrado de sección de área de núcleo de hierro ejercida por el electroimán será de 10^6 Newton equivalente a 10^5 Kilogramos fuerza, es decir 0,1 toneladas por metro cuadrado de sección transversal.
Esto significa que un electroimán en campo de saturación de 1,6 Tesla ejerce una fuerza de 10 kg sobre un núcleo de hierro de 1 cm2 de sección transversal.
Los electroimanes son parte de muchos aparatos y dispositivos. Por ejemplo están presentes en el interior de:
– Motores eléctricos.
– Alternadores y dinamos.
– Altavoces.
– Relés o suiches electromecánicos.
– Timbres eléctricos.
– Válvulas solenoides para control de flujo.
– Discos duros de computadora.
– Grúas elevadoras de chatarra.
– Separadores de metales de los desechos urbanos.
– Frenos eléctricos de trenes y camiones.
– Máquinas de imágenes por resonancia magnética nuclear.
Y muchísimos dispositivos más.
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- Tagueña, J. y Martina, E. El magnetismo. De la brújula al espín. Recuperado de: bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
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