Magnetismo e Inducción Electromagnética

Definición de magnetismo

Lo más probable es que te hayas topado con el magnetismo en tu vida cotidiana. Cuando colocas dos imanes uno junto al otro, habrás observado que, si se colocan en la orientación correcta, experimentan una fuerza de atracción o repulsión el uno sobre el otro. Por tanto, podemos definir el magnetismo de la siguiente manera.

No todos los materiales presentan efectos magnéticos perceptibles, ya que las fuerzas magnéticas dependen en gran medida de la estructura interna de un material. Podemos separar los materiales en tres categorías en lo que respecta al magnetismo:

1. Diamagnetismo - Materiales que experimentan fuerzas magnéticas en un campo magnético, generando un campo en dirección opuesta al campo externo.

2. Paramagnetismo - Materiales que experimentan fuerzas magnéticas en presencia de un campo magnético, generando un campo en la misma dirección que el campo externo.

3. Ferromagnetismo - Materiales que permanecen magnéticos cuando se aplica un campo magnético externo y luego se retira.

Puede que estés familiarizado con una barra magnética, como la que se ve en la imagen de abajo. Estos imanes suelen estar hechos de hierro o acero, ambos materiales ferromagnéticos,

lo que les permite conservar sus cualidades magnéticas incluso cuando no están sometidas a un campo magnético. ¡Esto permite realizar divertidos experimentos científicos tanto en casa como en el laboratorio cuando se aprenden las cualidades del magnetismo! Además, los imanes también se utilizan en diversas aplicaciones industriales, como generadores, motores, solenoides, etc. El término ferromagnetismo procede del término latino "ferrum", que significa hierro. Como el acero es una aleación de hierro, ferromagnético describe los materiales que tienen las mismas propiedades magnéticas que el hierro.

Fig. 2 - Una barra imantada de hierro o acero es un ejemplo de material ferromagnético.

Además, los materiales magnetizados irradian un campo magnético a su alrededor, representado en diagramas mediante líneas de campo. Como se muestra en la figura siguiente, estas líneas de campo son dirigidas, lo que se representa mediante puntas de flecha, y siempre apuntan fuera del polo norte y hacia el correspondiente polo sur del imán. Cuanto mayor sea la densidad de las líneas de campo magnético en el espacio, más intenso será el campo magnético en esa región. Por lo tanto, podemos ver que la fuerza del campo magnético es mayor en la zona alrededor de los polos.

También podemos definir otra magnitud que se utiliza habitualmente para describir los campos electromagnéticos: el flujo magnético.

Esto puede representarse en la ecuación

\[ \Phi = BA \cos(\theta) ,\\]

donde \(\Phi\) es el flujo magnético medido en Webers \(\mathrm{Wb}\), \(B\) es la intensidad del campo magnético medida en teslas \(\mathrm{T}\), \(A\) es el área que atraviesa el campo magnético medida en \(\mathrm{m^2}\), y \(\theta\) es el ángulo entre las líneas del campo magnético y el área que atraviesa. Como se deduce de la ecuación, sólo consideramos la componente del campo magnético perpendicular a la zona que atraviesa.

Definición de inducción electromagnética

En cambio, nosotros la definimos como sigue

Aquí, una fuerza electromotriz es similar a la diferencia de potencial a través de un circuito, sin embargo, se utiliza para describir el voltaje cuando no hay corriente fluyendo en un circuito. Cuando hablamos de una fuerza electromotriz, nos referimos a la tensión inducida debida a la inducción.

Para cuantificar la cantidad de fuerza electromotriz que se induce en el conductor, la representamos como una ecuación

\[ \epsilon = - \frac{\Delta \Phi_{texto{B}}{\Delta t} ,\]

donde \(\epsilon\) es la fuerza electromotriz inducida medida en voltios \(\mathrm{V}\), \(\Delta \Phi_{\text{B}}) es el cambio en el flujo magnético medido en Webers \(\mathrm{Wb}\), y \(\Delta t\) es el tiempo que tarda el cambio medido en segundos \(\mathrm{s}\). Esta ecuación revela varias cosas; en primer lugar, es la combinación de la ley de Faraday y laley de Lenz , que se definen como sigue.

Y la ley de Lenz es la siguiente.

Estas dos leyes rigen el fenómeno de la inducción electromagnética. Hablemos primero de la ley de Faraday; podemos ver en la ecuación anterior que la constante de proporcionalidad viene dada por \(N\), el número de vueltas del solenoide. Podemos ver que esta ecuación es específica para un solenoide sometido a inducción, pero puede variar según el tipo de conductor que estemos considerando.

Por otra parte, la ley de Lenz se representa en la ecuación como el signo negativo en el lado derecho, mostrando que la dirección de la fuerza electromotriz debe ser opuesta a la de la velocidad de cambio del flujo magnético. Esta ley se deriva de la conservación de la energía, que establece que la energía no puede crearse ni destruirse. Para comprenderlo mejor, considera una barra magnética que cae a través de una bobina de alambre; la corriente inducida en el alambre provoca un campo magnético a su alrededor. Este campo interactúa con el imán que cae, ejerciendo una fuerza sobre él. Como consecuencia de la ley de Lenz, la dirección de la fuerza debe ser tal que se oponga al movimiento del imán, es decir, hacia arriba. Esto hace que el imán disminuya su velocidad y reduzca la cantidad de corriente inducida en la bobina. De lo contrario, una fuerza descendente que acelerase el imán provocaría una mayor inducción de corriente en la bobina, creándose un bucle infinito de energía que no está permitido en física.

Diferencia entre inducción magnética e inducción electromagnética

Puede que ya hayas oído hablar de la inducción magnética antes de encontrarte con este artículo, y te estés preguntando: ¿es lo mismo la inducción magnética que la electromagnética? En realidad, estos dos fenómenos son cosas muy distintas, así que definamos primero qué es la inducción magnética.

Como hemos mencionado en el apartado anterior, hemos establecido que todos los materiales pueden clasificarse en tres categorías magnéticas. Para que estos materiales puedan ser magnetizados por un campo magnético externo, deben ser ferromagnéticos o paramagnéticos. Para comprender la estructura de los materiales magnéticos, nos acercamos a la estructura interna de la sustancia y observamos sus componentes básicos, los átomos. Estos átomos individuales residen en dominios magnéticos donde el propio átomo se convierte en un dipolo magnético.

Esencialmente, podemos pensar que los materiales magnéticos están formados por muchas barras magnéticas individuales. Estas barras magnéticas son susceptibles a la influencia de un campo magnético externo, girando hacia delante y hacia atrás en función de la orientación del campo. Observemos la siguiente figura para tener una idea más clara de la estructura.

Fig. 4 - Los materiales magnéticos están formados por dipolos magnéticos individuales. Aquí el material está desmagnetizado, ya que todos los dipolos están en orientaciones diferentes.

En la figura anterior, tenemos el material magnético perfilado en azul, mientras que los dipolos magnéticos están representados por las flechas rosas. En este caso, la dirección de las flechas indica el polo magnético norte. Aquí podemos ver que todas las flechas apuntan en direcciones diferentes, lo que demuestra que los dipolos no están sometidos a un campo magnético para organizar sus orientaciones. Por tanto, sabemos que este material no está magnetizado.

Fig. 5 - Los dipolos magnéticos están alineados, mostrando que el material presenta ahora propiedades magnéticas debido a su magnetización neta.

Ahora, en la figura anterior, tenemos el mismo material, excepto que los dipolos magnéticos están todos orientados en la misma dirección. En este caso, se ha aplicado un campo magnético externo al material, provocando la rotación de los dipolos. La alineación resultante de los campos magnéticos es lo que provoca las propiedades magnéticas dentro del material.

Por tanto, ahora tenemos una clara distinción entre la inducción magnética, que es el proceso de magnetización de los materiales, y la inducción electromagnética, que es el procedimiento de generación de una fuerza electromotriz en un conductor. ¡Dos fenómenos con nombres muy parecidos pero resultados muy diferentes!

Ejemplo de magnetismo

Para comprender mejor el magnetismo, consideremos un ejemplo numérico de cómo calcular el flujo magnético.

Consideremos ahora otro ejemplo en el que apliquemos en su lugar nuestra ecuación de inducción electromagnética.

Aplicaciones de la inducción electromagnética en la vida real

Como hemos mencionado antes en el artículo, la inducción electromagnética es un componente clave de muchos objetos que utilizamos en la vida cotidiana. Uno con el que te habrás topado recientemente se encuentra habitualmente en la cocina y es esencial para hacer tu comida diaria. ¿Puedes adivinar de qué se trata?

Fig. 6 - Una placa de inducción es un ejemplo de inducción electromagnética en objetos que utilizamos en nuestra vida cotidiana.

¡Así es! Es una placa de inducción. Una placa de inducción es un gran ejemplo de cómo la inducción electromagnética ha permitido mejorar y desarrollar la tecnología con ventajas de seguridad añadidas. En el caso de la placa de inducción, el interior del elemento calefactor está formado por bobinas de material conductor por las que circula una corriente alterna. La corriente alterna genera un campo magnético oscilante en la superficie donde colocas la sartén. Te habrás dado cuenta de que sólo determinados tipos de sartenes funcionan con las cocinas de inducción; esto se debe a que la sartén debe estar hecha de un material conductor tal que el campo magnético cambiante pueda inducir una corriente en el fondo de la sartén. Debido a la resistencia interna de la sartén, la corriente que circula por ella genera calor que se utiliza para preparar tu desayuno matutino.

Fig. 7 - Las tabletas gráficas también utilizan la inducción electromagnética para detectar las entradas del usuario.

Otro ejemplo de uso de la inducción electromagnética en aplicaciones de la vida real es la tableta gráfica. Este dispositivo lo suelen utilizar los artistas que quieren crear arte digital sin perder la experiencia del lápiz sobre el papel. Al mover el lápiz sobre la superficie de la tableta, la punta del lápiz gráfico emite un campo electromagnético que interactúa con los conductores situados bajo la superficie de la tableta. Mediante inducción electromagnética, el ordenador puede procesar esas señales inducidas en las líneas que dibujan los artistas, ¡dando como resultado la imagen que ves en la pantalla!