Qué es Electromagnetismo:
El electromagnetismo es el estudio de las cargas y la interacción entre electricidad y magnetismo. La electricidad y el magnetismo son aspectos de un único fenómeno físico estrechamente ligados por el movimiento y atracción de las cargas en la materia.
La rama de la física que estudia la interacción entre los fenómenos eléctricos y magnéticos también se conoce como electromagnetismo.
La palabra "electricidad" fue propuesta por el inglés William Gilbert (1544-1603) a partir del griego elektron (especie de ámbar que atrae objetos cuando se frota con varias sustancias). Por otro lado, "magnetismo" probablemente surgió de una región turca con yacimientos de magnetita imantada (Magnesia), donde habitaba una antigua tribu griega conocida como los Magnetes.
Sin embargo, fue hasta 1820 que Hans Christian Oersted (1777-1851) consigue demostrar el efecto de una corriente eléctrica sobre el comportamiento de una brújula, naciendo así el estudio del electromagnetismo.
Conceptos básicos de electromagnetismo
Los imanes y la electricidad han sido objeto de fascinación de la humanidad desde siempre. Su abordaje inicial tomó cursos diferentes que llegaron a un punto de encuentro a finales del siglo XIX. Para poder entender de que va el electromagnetismo, repasemos algunos conceptos básicos.
Carga eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de las partículas que constituyen la materia. La base de todas las cargas eléctricas reside en la estructura atómica. El átomo concentra en el núcleo protones positivos, y rodeando al núcleo se mueven electrones negativos. Cuando el número de electrones y protones es igual, tenemos un átomo con carga neutra. Cuando el átomo gana un electrón queda con una carga negativa (anión), y cuando pierde un electrón queda con carga positiva (catión).
Entonces se considera la carga del electrón como la unidad básica o quanta de la carga eléctrica. Esta es equivalente a 1,60 x 10 -19 coulomb (C), que es la unidad de medida de las cargas, en honor al físico francés Charles Augustin de Coulomb.
Campo eléctrico y campo magnético
Un campo eléctrico es un campo de fuerza que rodea a una carga o partícula cargada. Esto es, una partícula cargada afecta o ejerce una fuerza sobre otra partícula cargada que se encuentre en las inmediaciones. El campo eléctrico es una cantidad vectorial representada por la letra E cuyas unidades son voltio por metro (V/m) o newton por coulomb (N/C).
Por otro lado, el campo magnético se produce cuando hay un flujo o movimiento de cargas (una corriente eléctrica). Podemos decir entonces que es la región en donde actúan las fuerzas magnéticas. Así, un campo eléctrico rodea cualquier partícula cargada, y el movimiento de la partícula cargada crea un campo magnético.
Cada electrón en movimiento produce un diminuto campo magnético en el átomo. Para la mayoría de los materiales, los electrones se mueven en diferentes direcciones por lo que los campos magnéticos se anulan. En algunos elementos, como el hierro, el níquel y el cobalto, los electrones se mueven en una dirección preferencial, produciendo un campo magnético neto. Los materiales de este tipo son llamados ferromagnéticos.
Imanes y electroimanes
Un imán es el resultado de la alineación permanente de los campos magnéticos de los átomos en una pieza de hierro. En un pedazo ordinario de hierro (u otro material ferromagnético) los campos magnéticos están orientados al azar, por lo que no actúa como un magneto. La característica clave de los imanes es que poseen dos polos: norte y sur.
Un electroimán consiste de una pieza de hierro dentro de una bobina de alambre a través de la cual se puede hacer pasar una corriente. Cuando la corriente está encendida, los campos magnéticos de cada átomo que forman la pieza de hierro se alinean con el campo magnético producido por la corriente en la bobina de alambre, aumentando la fuerza magnética.
Inducción electromagnética
La Inducción electromagnética, descubierta por Joseph Henry (1797-1878) y Michael Faraday (1791-1867), es la producción de electricidad por medio de un campo magnético en movimiento. Al hacer pasar un campo magnético por una bobina de alambre u otro material conductor, se provoca un flujo de carga o corriente cuando el circuito está cerrado.
La inducción electromagnética es la base de los generadores y prácticamente de toda la potencia eléctrica producida en el mundo.
Aplicaciones del electromagnetismo
El electromagnetismo es la base del funcionamiento de los dispositivos eléctricos y electrónicos que usamos diariamente.
Micrófonos
Los micrófonos poseen una fina membrana que vibra como respuesta a un sonido. Unida a la membrana se encuentra una bobina de alambre que forma parte de un imán y que se mueve junto a la membrana. El movimiento de la bobina a través del campo magnético convierte las ondas sonoras en corriente eléctrica que se transfiere a un altavoz y se amplifica.
Generadores
Los generadores usan energía mecánica para producir energía eléctrica. La energía mecánica puede provenir del vapor de agua, creado por la combustión de combustibles fósiles, o de la caída de agua en las plantas hidroeléctricas.
Motor eléctrico
Un motor usa energía eléctrica para producir energía mecánica. Los motores de inducción usan corriente alterna para convertir la energía eléctrica en energía mecánica. Estos son los motores usados típicamente en los aparatos domésticos, como ventiladores, secadores, lavadoras y licuadoras.
Un motor de inducción consiste de una parte giratoria (rotor) y una parte estacionaria (estátor). El rotor es un cilindro de hierro con unas ranuras a lo largo a las cuales se fijan unas aletas o barras de cobre. El rotor está encerrado en un contenedor de bobinas o espiras de alambre conductor a través del cual se hace pasar corriente alterna, convirtiéndose en electroimanes.
El paso de la corriente alterna a través de las bobinas produce un campo magnético que a su vez induce una corriente y un campo magnético en el rotor. La interacción de los campos magnéticos en el estátor y el rotor provoca una torsión en el rotor permitiendo que se pueda realizar un trabajo.
Maglev: trenes que levitan
Los trenes levitados magnéticamente emplean el electromagnetismo para levantarse, guiarse y propulsarse por una vía especial. Japón y Alemania son pioneros en el uso de estos trenes como medio de transporte. Existen dos tecnologías: la suspensión electromagnética y la suspensión electrodinámica.
La suspensión electromagnética se basa en las fuerzas de atracción entre potentes electroimanes en la base del tren y de la vía ferromagnética. La fuerza magnética se ajusta para que el tren se mantenga suspendido sobre la vía, mientras que es impulsado por un campo magnético que viaja hacia adelante por interacción de magnetos laterales en el tren.
La suspensión electrodinámica se basa en la fuerza repulsiva entre magnetos en el tren y un campo magnético inducido en la vía férrea. Este tipo de trenes necesita ruedas para poder alcanzar una velocidad crítica, similar a los aviones cuando van a despegar.
Diagnósticos médicos
La imagen por resonancia magnética es una de las tecnologías de mayor impacto en la medicina moderna. Se fundamenta en el efecto de fuertes campos magnéticos sobre los núcleos de hidrógeno del agua del cuerpo.
Fenómenos electromagnéticos
Muchos de los fenómenos electromagnéticos que conocemos son consecuencia del campo magnético de la Tierra. Este campo se genera por corrientes eléctricas en el interior del planeta. La Tierra entonces se asemeja a una gran barra magnética dentro de la misma, donde el polo norte magnético se encuentra en el polo sur geográfico y el polo sur magnético corresponde al polo norte geográfico.
Orientación espacial
La brújula es un instrumento que data desde aproximadamente 200 años antes de Cristo. Se fundamenta en la orientación de una aguja de un metal imantado hacia el norte geográfico.
Algunos animales y otros seres vivos pueden detectar el campo magnético de la Tierra y de esta forma orientarse en el espacio. Uno de las estrategias de orientación es por medio de células u órganos especializados que contienen cristales de magnetita, un mineral de óxido de hierro que mantiene un campo magnético permanente.
Las auroras boreales y australes
El campo magnético de la Tierra funciona como una barrera protectora contra el bombardeo de partículas ionizadas de alta energía que emana del Sol (mejor conocido como el viento solar). Estas son desviadas a las regiones polares, excitando átomos y moléculas de la atmósfera. Las luces características de las auroras (boreales en el hemisferio norte y australes en el hemisferio sur) son el producto de la emanación de energía cuando los electrones excitados regresan a su estado basal.
Maxwell y la teoría del electromagnetismo
James Clerk Maxwell dedujo entre 1864 y 1873 las ecuaciones matemáticas que explican la naturaleza de los campos magnéticos y eléctricos. De esta forma, las ecuaciones de Maxwell proporcionaron una explicación de las propiedades de la electricidad y el magnetismo. Específicamente, estas ecuaciones muestran:
- cómo una carga eléctrica produce un campo eléctrico,
- cómo las corrientes producen campos magnéticos, y
- cómo cambiando un campo magnético se produce un campo eléctrico.
Las ecuaciones de onda de Maxwell sirvieron también para mostrar que cambiando un campo eléctrico se crea una onda electromagnética auto-propagante con componentes eléctricos y magnéticos. El trabajo de Maxwell unificó las áreas de la física aparentemente separadas de la electricidad, el magnetismo y la luz.
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