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El Efecto Magnético
Un profesor dinamarqués de la
escuela secundaria llamado Hans
Chistian Oersted observó que colo-
cando una aguja imantada cerca de
un alambre conductor, cuando
se establecía la corriente en el
conductor, la aguja se despla-
zaba hacia una posición per-
pendicular al alambre, como se
muestra en la figura 1.
Como seguramente sabrán
los lectores, las agujas imanta-
das procuran adoptar una posi-
ción determinada según el
campo magnético terrestre,
dando origen a la brújula (figu-
ra 2).
El movimiento de la aguja
imantada sólo revelaba que las co-
rrientes eléctricas producen campos
magnéticos y también facilitaba el
establecimiento exacto de la orien-
tación de este campo, o sea su mo-
do de acción. Como en el caso de
los campos eléctricos, podemos re-
presentar los campos magnéticos
por líneas de fuerza. En un imán,
como se muestra en la figura 3,
esas líneas salen del polo norte (N)
y llegan al polo sur (S). Para la co-
LECCION 7
1
TEORIA: LECCION Nº 7
Magnetismo e
Inductancia Magnética
Se entiende por magnetismo la propiedad que poseen determinados
materiales de atraer a otros materiales, tales como el hierro, el ní-
quel y el cobalto, aunque este último la tiene en menor proporción.
Nos interesa estudiar los efectos magnéticos de la corriente eléctri-
ca dado que se emplean en la “concepción” de muchos sistemas elec-
trónicos. Veremos también en esta lección, a las inductancias, como
elementos componentes de circuitos.
Coordinación: Horacio D. Vallejo
11
rriente eléctrica que fluye
en el conductor, verifica-
mos que las líneas de
fuerza lo rodean, tal co-
mo muestra la figura 4.
Representando con
una flecha la corriente
que fluye del positivo ha-
cia el negativo, tenemos
una regla que permite
determinar cómo se ma-
nifiesta el campo.
Con la flecha entran-
do en la hoja (corriente entran-
do) las líneas son concéntricas,
con orientación en el sentido
horario (sentido de las agujas
del reloj). Para la corriente sa-
liente, las líneas se orientan en
el sentido antihorario (figura 5).
El hecho importante es que
disponiendo conductores reco-
rridos por corrientes de formas
determinadas, podemos obte-
ner campos magnéticos muy fuer-
tes, útiles en la construcción de di-
versos dispositivos.
Campo Eléctrico y
Campo Magnético
Si tenemos una carga eléctrica,
alrededor de esta carga existe un
campo eléctrico cuyas líneas de
fuerza se orientan como muestra la
figura 6. Una carga eléctrica en re-
poso (detenida) posee
sólo campo eléctrico.
Sin embargo, si se pone
en movimiento una car-
ga eléctrica, lo que ten-
dremos será una mani-
festación de fuerzas de
naturaleza diferente: ten-
dremos la aparición de
un campo magnético.
Este campo tendrá lí-
neas de fuerza que en-
vuelven la trayectoria de
la carga, como muestra la figu-
ra 7.
El campo eléctrico puede ac-
tuar sobre cualquier tipo de
objeto, provocará atracción o
repulsión según su naturaleza.
El campo magnético sólo actúa
atrayendo o repeliendo, sobre
materiales de determinada na-
turaleza de forma más eminen-
te. Teniendo en cuenta el ori-
gen del campo magnético podemos
explicar fácilmente por qué ciertos
cuerpos son imanes y por qué una
corriente puede actuar sobre una
aguja magnetizada.
En un cuerpo común los electro-
nes que se mueven alrededor de
los átomos lo hacen de manera de-
sordenada, de modo que el campo
producido no aparece.
Sin embargo, podemos orientar
estos movimientos de modo de
concentrar el efecto de una manera
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
2
22
33
44
55 66
determinada, como muestra la figu-
ra 8.
Obtenemos, entonces, "imanes
elementales", cuyos efectos suma-
dos dotan al material de propieda-
des magnéticas. Tenemos así, cuer-
pos denominados imanes perma-
nentes. Un imán permanente tiene
dos polos, denominados NORTE
(N) y SUR (S), cuyas propiedades
son semejantes a las de las cargas
eléctricas.
Podemos decir que polos de
nombres diferentes se atraen (Norte
atrae a Sur y vicerversa).
Polos del mismo nombre se re-
pelen (Norte repele a Norte y Sur
repele a Sur).
Los imanes permanentes pueden
ser naturales o artificiales. Entre los
naturales destacamos la magnetita,
una forma de mineral de hierro que
ya se obtiene en los yacimientos
con las propiedades que caracteri-
zan un imán.
Entre los artificiales destacamos
el Alnico, que es una aleación
(mezcla) de aluminio, níquel y co-
balto, que no tiene magnetismo na-
tural hasta que es establecido por
procesos que veremos posterior-
mente. Los materiales que podemos
convertir en imanes son llamados
materiales magnéticos; podemos
magnetizar un material que lo ad-
mita orientando sus imanes elemen-
tales. Para ello existen diversas téc-
nicas:
a) Fricción: de tanto usar una
herramienta, una tijera, por ejem-
plo, los imanes elementales se
orientan y ésta pasa a atraer peque-
ños objetos de metal, o sea, se
vuelve un imán (figura 9). Frotando
una aguja contra un imán, orienta
sus imanes elementales y retiene el
magnetismo.
Advierta que existen cuerpos
que no retienen el magnetismo, co-
mo por ejemplo el hierro.
Si apoyamos un imán contra un
hierro, éste se magnetiza, como
muestra la figura 10, pero en
cuanto lo separamos del imán, el
hierro pierde la propiedad de
atraer pequeños objetos, debido a
que sus imanes elementales se de-
sorientan.
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
3
88
77 99
1010
b) Mediante un campo inten-
so: colocando un objeto magnetiza-
ble en presencia de un campo mag-
nético fuerte, podemos orientar sus
imanes elementales y, de esta ma-
nera, convertirlos en un imán. El
campo de una bobina puede ser su-
ficiente para esto.
Del mismo modo que los mate-
riales pueden retener magnetismo,
también pueden perderlo bajo cier-
tas condiciones.
Si calentamos un trozo de mag-
netita, o sea un imán permanente
natural, a una temperatura de
585°C, el magnetismo desaparece.
Esta temperatura es conocida
con el nombre de Punto Curie y va-
ría de acuerdo a los diferentes ma-
teriales.
Propiedades Magnéticas
de la Materia
Imaginemos los polos de un
imán permanente, como muestra la
figura 11.
Tenemos un campo uniforme,
dado que las líneas de fuerza son
paralelas (dentro del espacio consi-
derado). Pues bien, colocando di-
versos tipos de materiales entre los
polos del imán, podemos observar
lo siguiente:
a) El material "dispersa" las lí-
neas de fuerza del campo magnéti-
co, como muestra la figura 12.
El material en cuestión se llama
"diamagnético", tiene una suscepti-
bilidad magnética menor que 1 y
presenta la propiedad de ser ligera-
mente repelido por los imanes
(cualquiera de los dos polos). Entre
los materiales diamagnéticos cita-
mos el COBRE, el VIDRIO y el BIS-
MUTO.
b) El material concentra las lí-
neas de fuerza de un campo mag-
nético, como muestra la figura 13.
Si la concentración fuera peque-
ña (susceptibilidad ligeramente ma-
yor que 1), diremos que la sustan-
cia es paramagnética, como por
ejemplo el aluminio, el aire, el plati-
no y el tungsteno.
Si bien existe una fuerza de
atracción de los imanes por estos
materiales, la misma es muy peque-
ña para ser percibida.
En cambio, si la concentración
de las líneas de fuerza fuera muy
grande (susceptibilidad mucho ma-
yor que 1), entonces el material se
denomina "ferromagnético", siendo
atraído fuertemente por el imán. El
nombre mismo nos está diciendo
que el principal material de este
grupo es el hierro.
Los materiales ferromagnéticos
son usados para la fabricación de
imanes y para la concentración de
efectos de los campos magnéticos.
Los materiales diamagnéticos se
utilizan en la construcción de blin-
dajes, cuando deseamos dispersar
las líneas de fuerza de un campo
magnético.
Cálculos con
Fuerzas Magnéticas
Si colocamos una carga eléctrica
bajo la acción de un campo eléctri-
co, la misma queda sujeta a una
fuerza; esta fuerza puede ser calcu-
lada mediante:
F = q . E
donde:
F es la intensidad de la fuerza
(N).
q es el valor de la carga (C) y E
es la intensidad del campo (N/C).
Para el caso del campo magnéti-
co, podemos definir una magnitud
equivalente a E (Vector de intensi-
dad de Campo), que se denomina
Vector de Inducción Magnética, el
cual es representado por la B (figu-
ra 14). La unidad más común para
medir el Vector Inducción Magnéti-
ca es el Tesla (T), pero también en-
contramos el Gauss (G).
1 T = 104G
El lanzamiento de una carga
eléctrica en un campo eléctrico o
en un campo magnético es la base
de dispositivos electrónicos muy
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
4
1111
1414
1212 1313
importantes. Así, podemos dar
como ejemplo el caso de un tu-
bo de rayos catódicos, (Cinesco-
pio de TV, por ejemplo) en el
que la imagen está totalmente
determinada por fuerzas de natu-
raleza eléctrica y magnética que
determinan la trayectoria de los
electrones que inciden en una
pantalla fluorescente (figura 15).
Es, por lo tanto, necesario que el
técnico electrónico sepa hacer al-
gunos cálculos elementales relati-
vos al comportamiento de cargas
en campos eléctricos y también
magnéticos.
a) Fuerza en un
campo eléctrico
Suponiendo dos placas parale-
las, como muestra la figura 16, so-
metidas a una tensión V (+ Ve-V),
entre ellas existe un campo eléctri-
co uniforme cuya intensidad es:
E = V/d
(V = Potencial y d = distancia)
Si entre las placas lanzamos una
carga eléctrica, un electrón, o una
carga, ésta quedará sujeta a una
fuerza que depende de dos facto-
res: su polaridad y su in-
tensidad.
Si la carga fuera positi-
va, la fuerza se ejercerá en
el sentido de empujarla
hacia la placa negativa y,
si fuera negativa, al con-
trario. La intensidad de la
fuerza estará dada por:
F = q . E
Donde:
F es la fuerza en Newtons.
q es la fuerza en Coulombs.
E es la intensidad de campo en
V/m o N/C.
En el caso de un campo magné-
tico, el comportamiento de la carga
lanzada es un poco diferente.
De hecho, sólo existirá la fuerza
si la carga estuviera en movimiento.
Una carga estática no es influencia-
da por campos magnéticos.
b) Fuerza en campos magnéticos
La fuerza a que queda sometida
una carga eléctrica lanzada en un
campo magnético es denominada
Fuerza de Lorentz y tiene las si-
guientes características:
Dirección perpendicular al Vec-
tor B y al vector v (velocidad), la
Intensidad está dada por la fór-
mula:
F = q . v . B sen ø
Donde:
F = fuerza en Newtons
q = carga en Coulombs
v = velocidad en m/s
ø = ángulo entre V y B
Sentido dado por la regla de la
mano izquierda de Fleming, co-
mo muestra la figura 17.
Representando el campo (B) con
el dedo índice y la velocidad (v)
con el dedo del medio, la fuerza
que actuará sobre la carga estará
dada por la posición del pulgar (F).
Si la carga fuera negativa, se in-
vierte el sentido de F. Observe que
si lanzamos una carga paralela a las
líneas de fuerza del campo magné-
tico (B paralelo a v), entonces, el
seno ø será nulo. En estas condicio-
nes, no habrá ninguna fuerza que
actúe sobre la carga.
Otros casos:
1) Lanzamiento perpen-
dicular al campo: en este
caso, la carga realiza un
movimiento circular unifor-
me, como se ve en la figu-
ra 18, cuya trayectoria tie-
ne radio R.
El radio R puede ser calcu-
lado por:
m.v
R = ______
q.B
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
5
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1717
Donde:
R es el radio en metros
m es la masa de la
partícula lanzada en kg.
v es la velocidad en
m/s.
q es la carga en C.
B es la intensidad del
campo en T.
2) Lanzamiento obli-
cuo: Si la trayectoria de la
partícula cargada lanzada
en el campo magnético
no fuera paralela ni per-
pendicular a las líneas del
campo magnético, las
fuerzas actuarán en el
sentido de hacerla descri-
bir una espiral, como
muestra la figura 19.
El paso de la espiral es
dado por la componente
V1 de la velocidad, mien-
tras que el radio R de la
espiral se da por la com-
ponente V2 de la veloci-
dad. Basándonos en fórmulas ante-
riores, podemos calcular fácilmente
las dos componentes. Aunque cor-
temos el imán, siempre aparecerán
los polos que faltan y los trozos
siempre serán imanes completos
hasta llegar a los imanes elementa-
les, cuando esta división se torna
imposible. Es interesante hacer no-
tar, sin embargo, que físicos teóri-
cos especulan sobre la posibilidad
de que existan partículas elementa-
les que sean monopolos magnéti-
cos; pero eso es todavía una cues-
tión sin comprobación.
"¿De dónde viene el magnetismo
natural de la magnetita?"
Como ya estudiamos, la Tierra
posee un campo magnético que la
convierte en una especie de gigan-
tesco, aunque débil, imán capaz de
mover la aguja imantada de una
brújula. La acción de este imán na-
tural que es la propia Tierra, se en-
cargó de orientar los imanes ele-
mentales existentes en la magnetita
en el momento de su solidificación.
Un hecho interesante es que la
orientación de imanes elementales
en rocas antiguas no sólo permite a
los científicos fechar la época de su
formación, sino que tam-
bién les permite obtener
otras informaciones intere-
santes, como la posición
de los polos y la época en
que esto ocurrió, o de la
propia roca. La ciencia
también estudia los llama-
dos "fósiles magnéticos".
Dispositivos
Electromagnéticos
Sabemos que cuando una
corriente recorre un con-
ductor rectilíneo, el movi-
miento de las cargas es
responsable de la apari-
ción de un campo magné-
tico. Ese campo magnético
tiene la misma naturaleza
que el que se produce con
una barra de imán perma-
nente y puede atraer o re-
peler objetos de metal.
En el caso del campo pro-
ducido por una corriente en un
conductor, no sólo tenemos el con-
trol de su intensidad sino que tam-
bién podemos intervenir en la "geo-
metría" del sistema, darle formas y
disposiciones mediante las que se
puede aumentar, dirigir y difundir
las líneas de fuerza del campo se-
gún se desee. Hay varias maneras
de lograr eso, lo que nos lleva a la
elaboración de distintos dispositivos
de aplicación en electrónica.
Electroimanes y Solenoides
El campo creado por una co-
rriente que recorre un conductor
rectilíneo, como muestra la figura
20, es muy débil. Se necesita una
corriente relativamente intensa, ob-
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
6
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2020
tenida de pilas grandes o de bate-
ría, para que se observe el movi-
miento de la aguja imantada. Para
obtener un campo magnético mu-
cho más intenso que éste, con me-
nos corriente y a partir de alambres
conductores, pueden enrollarse los
alambres para formar una bobina o
solenoide, como muestra la figura
21.
Cada vuelta de alambre se com-
porta como un conductor separado
y, entonces, el conjunto tiene como
efecto la suma de los efectos de las
corrientes. De esta manera,
en el interior del solenoide
tenemos la suma de los efec-
tos magnéticos.
En la figura 22 se grafica la
forma de obtener el sentido
del campo magnético genera-
do cuando se conoce la pola-
ridad de la corriente. Se ob-
serva que la bobina se com-
porta como un imán en for-
ma de barra con los po-
los en los extremos.
Cualquier material ferro-
so, en las cercanías de la
bobina, será atraído por
el campo magnético que
ésta genera (figura 23).
Si en el interior de la
bobina coloco un núcleo
de hierro, el campo
magnético se incremen-
ta, y puede atraer a
otros objetos ferrosos
más pesados.
Al conjunto así formado
se lo llama electroimán y
posee innumerables apli-
caciones, por ejemplo
en grúas, válvulas en la-
varropas, maquinarias
textiles, etc.
Relés y Reed-Relés
La estructura de un relé se
muestra en la figura 24. Se
puede apreciar que en las cer-
canías del electroimán recién
estudiado se coloca un juego
de contactos eléctricos. En el
caso de la figura, cuando no
circula corriente por el solenoi-
de (bobina), los contactos per-
manecen abiertos. Cuando la
bobina es energizada, el cam-
po magnético atrae el contador
móvil que se "pega" con el fi-
jo, y cierra, de esta manera, algún
circuito eléctrico.
En la figura 25 se da un ejemplo
de relé con 3 contactos; el principio
de funcionamiento es el mismo, só-
lo que ahora existe un contacto
normal cerrado (bobina sin energía)
y otro normal abierto. Otro tipo de
relé es el llamado "reed-relé", cuyo
aspecto funcional se ve en la figura
26.
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
7
2626
2121
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2525
2424
Se tiene un interruptor de lámi-
nas encerradas en un tubo de vidrio
lleno de gas inerte. Con el gas iner-
te, las chispas que se producen du-
rante el cierre y apertura de los
contactos no les causan daños (no
se queman).
Con eso, contactos relativamente
chicos pueden soportar corrientes
intensas y, además, la operación es
relativamente alta en relación con la
distancia que separa a los contactos
en la posición "abierto". La "reed-
switch", que es un interruptor de lá-
minas, se acciona, en condiciones
normales, por la aproximación del
imán, como se muestra en la figura
27. Una aplicación importante de
este componente está en los siste-
mas de alarma, en los que la aper-
tura de una puerta o una ventana
hace que un imán abra o cierre los
contactos de una reed-switch acti-
vando la alarma (figura 28).
En el caso de un reed-relé, el
accionamiento de los contactos lo
efectúa el campo magnético de un
solenoide que envuelve la ampolla.
Con muchas espiras de alambre
barnizado pueden obtenerse relés
ultra sensibles, capaces de cerrar
los contactos con corrientes de bo-
bina de pocos miliamperes. La co-
rriente de contacto depende exclu-
sivamente del "reed-switch" que se
use, pero son típicas las del orden
de 100 a 1.000mA. La ventaja prin-
cipal de este relé, además de la
sensibilidad, es la posibilidad de
montaje en un espacio muy reduci-
do, pues el componente es de pe-
queñas dimensiones.
Los Galvanómetros
El galvanómetro de bobina mó-
vil o de D'Arsonval es un compo-
nente electrónico que utiliza el
efecto magnético de la corriente. Se
usa este dispositivo para medir co-
rrientes eléctricas
para aprovechar
justamente el hecho
de que el campo
magnético y, por
consiguiente, la
fuerza que actúa
con el imán, es
proporcional a la
corriente que pasa
por la bobina. En
la figura 29, vemos
este componente
en forma simplifica-
da. Entre los polos
de un imán perma-
nente se coloca
una bobina que
puede moverse res-
pecto de dos ejes
que sirven también
de contactos eléc-
tricos. Resortes es-
piralados limitan el movimiento de
la bobina, el que se hace más difícil
cuando se acerca al final del reco-
rrido.
En la bobina se coloca una agu-
ja que se desplaza sobre una escala.
Cuando circula corriente por la bo-
bina se crea un campo magnético
que interactúa con el campo del
imán permanente, surgiendo, enton-
ces, una fuerza que tiende a mover
el conjunto. El movimiento será tan-
to mayor cuanto más intensa sea la
corriente.
Podemos, así, calibrar la escala
en función de la intensidad de la
corriente. Son comunes los galvanó-
metros que tienen sus escalas cali-
bradas con valores máximos, llama-
dos también "fondo de escala", en-
tre 10µA (microamperes) y 1mA
(miliampere).
Los galvanómetros pueden for-
mar parte de diversos instrumentos
que miden corrientes (miliamperí-
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
8
2929
2727
2828
metros o amperímetros), que miden
tensiones (voltímetros, resistencias
ohmímetros), o que miden todas las
magnitudes eléctricas (multímetros).
Los Inductores
Podemos reforzar en forma con-
siderable el campo magnético crea-
do por una corriente que circula en
un conductor, si enrollamos el con-
ductor para formar una bobina. La
inductancia de una bobina es tam-
bién mucho mayor que la de un
conductor rectilíneo. Tenemos, en-
tonces, componentes llamados in-
ductores (que aparecen en los dia-
gramas representados por espirales
con letras "L") que presentan induc-
tancias, o sea una inercia
a las variaciones bruscas
de la corriente. (Figura
30).
Los inductores pueden
tener diversas característi-
cas de construcción se-
gún la aplicación a la que
se destinan. Tenemos, en-
tonces, los inductores de
pequeñas inductancias,
formados por pocas espi-
ras de alambre, con o sin
un núcleo de material fe-
rroso en su interior. Algu-
nos de esos inductores
poseen núcleos adapta-
bles, de modo que puede
modificarse su inductan-
cia. (Figura 31).
La presencia del mate-
rial ferroso aumenta la in-
ductancia, multiplicada
por un factor que puede
ser bastante grande.
La unidad de induc-
tancia es el henry, H en
forma abreviada.
El múltiplo más usado es:
-El milihenre (mH) que vale
0,001 henry, o milésima parte del
Henry.
Los pequeños inductores para
aplicaciones en frecuencias eleva-
das tienen inductancias que varían
entre pocos microhenry y milihenry,
mientras que los que se usan para
frecuencias medias y bajas pueden
tener inductancias hasta
de algunos henrys.
Existen otras denomina-
ciones para los inducto-
res, como, por ejemplo,
choque, reactor, bobina,
etc.
Inductancia
La oposición o inercia
que presenta el inductor
a las variaciones de in-
tensidad de la corriente
depende de la cantidad
de líneas de fuerza que
cortan el conductor o es-
piras de la bobina.
Denominamos flujo mag-
nético, representado por
Ø, al número de líneas
de fuerza que atraviesan
una cierta superficie (S).
Calculamos el flujo en
una espira de la bobina
mediante la fórmula:
Ø = B. S. cos α
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
9
3030
3131
En la que:
Ø es la intensidad del flujo mag-
nético que se mide en weber, cuyo
símbolo es Wb.
B es la intensidad de la induc-
ción magnética medida en Tesla
(T).
S es la superficie rodeada por la
espira, en metros cuadrados.
Si tuviéramos una bobina con n
espiras, basta multiplicar el segundo
miembro de la fórmula por n:
Ø = n.B.S.cos α
Si en el interior del solenoide o
bobina se colocara un núcleo de
material ferroso, debemos multipli-
car la permeabilidad del material
por el resultado.
Partiendo de esta fórmula del flu-
jo se puede, fácilmente, llegar a la
fórmula de la inductancia propia-
mente dicha, que será válida para so-
lenoides en los que la longitud no
sea mucho mayor que el diámetro.
Tenemos, entonces, dos casos:
a) Fórmula para solenoides con
núcleo de aire (figura 32).
1,257 . n2
. S . 10-8
L = ______________________
I
En la que:
L es la inductancia en henry
(H).
n es el número de espiras del
solenoide.
I es la longitud del solenoide en
centímetros.
S es la superficie rodeada por
una espira, en centímetros cuadra-
dos.
Los valores 1,257 y 10-8
son
constantes que dependen de la per-
meabilidad magnética del medio, en
este caso del aire, además de las
unidades de longitud y superficie
que se utilicen.
Para calcular el área rodeada por
una espira, teniendo en cuenta que
el solenoide o bobina es circular,
podemos aplicar la fórmula:
S = 2 . 3,14 . R
En la que:
S es la superficie en centímetros
cuadrados.
R es el radio (mitad del diáme-
tro) de la bobina, en centímetros.
3,14 es el valor de π (pi) que es
constante.
En la práctica, esta fórmula no
debe emplearse para bobinas cuya
longitud exceda el doble del diáme-
tro.
Observación:
Las fórmulas en cuestión son
empíricas, o sea que tienen valores
aproximados, pero esa precisión sir-
ve perfectamente para las aplicacio-
nes prácticas.
Pueden deducirse fórmulas mu-
cho más exactas mediante el cálcu-
lo diferencial pero son más trabajo-
sas y no se justifica el tiempo em-
pleado cuando las aplicaciones son
menos críticas.
b) Fórmula para solenoide con
núcleo ferromagnético:
1,257 . n2
. S . µ . 10-8
L = ______________________
I
En la que:
L es la inductancia en henry.
n es el número de espiras.
S es el área abrazada por una
espira, en centímetros cuadrados.
µ es el coeficiente de permeabi-
lidad del núcleo.
I es la longitud, en centímetros,
de la bobina.
1,257 y 10-8
son constantes que
dependen de las unidades usadas y
de la permeabilidad del medio del
núcleo. El mismo razonamiento es
válido para calcular la superficie ro-
deada por una espira. ✪
MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA
3232

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  • 1. El Efecto Magnético Un profesor dinamarqués de la escuela secundaria llamado Hans Chistian Oersted observó que colo- cando una aguja imantada cerca de un alambre conductor, cuando se establecía la corriente en el conductor, la aguja se despla- zaba hacia una posición per- pendicular al alambre, como se muestra en la figura 1. Como seguramente sabrán los lectores, las agujas imanta- das procuran adoptar una posi- ción determinada según el campo magnético terrestre, dando origen a la brújula (figu- ra 2). El movimiento de la aguja imantada sólo revelaba que las co- rrientes eléctricas producen campos magnéticos y también facilitaba el establecimiento exacto de la orien- tación de este campo, o sea su mo- do de acción. Como en el caso de los campos eléctricos, podemos re- presentar los campos magnéticos por líneas de fuerza. En un imán, como se muestra en la figura 3, esas líneas salen del polo norte (N) y llegan al polo sur (S). Para la co- LECCION 7 1 TEORIA: LECCION Nº 7 Magnetismo e Inductancia Magnética Se entiende por magnetismo la propiedad que poseen determinados materiales de atraer a otros materiales, tales como el hierro, el ní- quel y el cobalto, aunque este último la tiene en menor proporción. Nos interesa estudiar los efectos magnéticos de la corriente eléctri- ca dado que se emplean en la “concepción” de muchos sistemas elec- trónicos. Veremos también en esta lección, a las inductancias, como elementos componentes de circuitos. Coordinación: Horacio D. Vallejo 11
  • 2. rriente eléctrica que fluye en el conductor, verifica- mos que las líneas de fuerza lo rodean, tal co- mo muestra la figura 4. Representando con una flecha la corriente que fluye del positivo ha- cia el negativo, tenemos una regla que permite determinar cómo se ma- nifiesta el campo. Con la flecha entran- do en la hoja (corriente entran- do) las líneas son concéntricas, con orientación en el sentido horario (sentido de las agujas del reloj). Para la corriente sa- liente, las líneas se orientan en el sentido antihorario (figura 5). El hecho importante es que disponiendo conductores reco- rridos por corrientes de formas determinadas, podemos obte- ner campos magnéticos muy fuer- tes, útiles en la construcción de di- versos dispositivos. Campo Eléctrico y Campo Magnético Si tenemos una carga eléctrica, alrededor de esta carga existe un campo eléctrico cuyas líneas de fuerza se orientan como muestra la figura 6. Una carga eléctrica en re- poso (detenida) posee sólo campo eléctrico. Sin embargo, si se pone en movimiento una car- ga eléctrica, lo que ten- dremos será una mani- festación de fuerzas de naturaleza diferente: ten- dremos la aparición de un campo magnético. Este campo tendrá lí- neas de fuerza que en- vuelven la trayectoria de la carga, como muestra la figu- ra 7. El campo eléctrico puede ac- tuar sobre cualquier tipo de objeto, provocará atracción o repulsión según su naturaleza. El campo magnético sólo actúa atrayendo o repeliendo, sobre materiales de determinada na- turaleza de forma más eminen- te. Teniendo en cuenta el ori- gen del campo magnético podemos explicar fácilmente por qué ciertos cuerpos son imanes y por qué una corriente puede actuar sobre una aguja magnetizada. En un cuerpo común los electro- nes que se mueven alrededor de los átomos lo hacen de manera de- sordenada, de modo que el campo producido no aparece. Sin embargo, podemos orientar estos movimientos de modo de concentrar el efecto de una manera MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 2 22 33 44 55 66
  • 3. determinada, como muestra la figu- ra 8. Obtenemos, entonces, "imanes elementales", cuyos efectos suma- dos dotan al material de propieda- des magnéticas. Tenemos así, cuer- pos denominados imanes perma- nentes. Un imán permanente tiene dos polos, denominados NORTE (N) y SUR (S), cuyas propiedades son semejantes a las de las cargas eléctricas. Podemos decir que polos de nombres diferentes se atraen (Norte atrae a Sur y vicerversa). Polos del mismo nombre se re- pelen (Norte repele a Norte y Sur repele a Sur). Los imanes permanentes pueden ser naturales o artificiales. Entre los naturales destacamos la magnetita, una forma de mineral de hierro que ya se obtiene en los yacimientos con las propiedades que caracteri- zan un imán. Entre los artificiales destacamos el Alnico, que es una aleación (mezcla) de aluminio, níquel y co- balto, que no tiene magnetismo na- tural hasta que es establecido por procesos que veremos posterior- mente. Los materiales que podemos convertir en imanes son llamados materiales magnéticos; podemos magnetizar un material que lo ad- mita orientando sus imanes elemen- tales. Para ello existen diversas téc- nicas: a) Fricción: de tanto usar una herramienta, una tijera, por ejem- plo, los imanes elementales se orientan y ésta pasa a atraer peque- ños objetos de metal, o sea, se vuelve un imán (figura 9). Frotando una aguja contra un imán, orienta sus imanes elementales y retiene el magnetismo. Advierta que existen cuerpos que no retienen el magnetismo, co- mo por ejemplo el hierro. Si apoyamos un imán contra un hierro, éste se magnetiza, como muestra la figura 10, pero en cuanto lo separamos del imán, el hierro pierde la propiedad de atraer pequeños objetos, debido a que sus imanes elementales se de- sorientan. MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 3 88 77 99 1010
  • 4. b) Mediante un campo inten- so: colocando un objeto magnetiza- ble en presencia de un campo mag- nético fuerte, podemos orientar sus imanes elementales y, de esta ma- nera, convertirlos en un imán. El campo de una bobina puede ser su- ficiente para esto. Del mismo modo que los mate- riales pueden retener magnetismo, también pueden perderlo bajo cier- tas condiciones. Si calentamos un trozo de mag- netita, o sea un imán permanente natural, a una temperatura de 585°C, el magnetismo desaparece. Esta temperatura es conocida con el nombre de Punto Curie y va- ría de acuerdo a los diferentes ma- teriales. Propiedades Magnéticas de la Materia Imaginemos los polos de un imán permanente, como muestra la figura 11. Tenemos un campo uniforme, dado que las líneas de fuerza son paralelas (dentro del espacio consi- derado). Pues bien, colocando di- versos tipos de materiales entre los polos del imán, podemos observar lo siguiente: a) El material "dispersa" las lí- neas de fuerza del campo magnéti- co, como muestra la figura 12. El material en cuestión se llama "diamagnético", tiene una suscepti- bilidad magnética menor que 1 y presenta la propiedad de ser ligera- mente repelido por los imanes (cualquiera de los dos polos). Entre los materiales diamagnéticos cita- mos el COBRE, el VIDRIO y el BIS- MUTO. b) El material concentra las lí- neas de fuerza de un campo mag- nético, como muestra la figura 13. Si la concentración fuera peque- ña (susceptibilidad ligeramente ma- yor que 1), diremos que la sustan- cia es paramagnética, como por ejemplo el aluminio, el aire, el plati- no y el tungsteno. Si bien existe una fuerza de atracción de los imanes por estos materiales, la misma es muy peque- ña para ser percibida. En cambio, si la concentración de las líneas de fuerza fuera muy grande (susceptibilidad mucho ma- yor que 1), entonces el material se denomina "ferromagnético", siendo atraído fuertemente por el imán. El nombre mismo nos está diciendo que el principal material de este grupo es el hierro. Los materiales ferromagnéticos son usados para la fabricación de imanes y para la concentración de efectos de los campos magnéticos. Los materiales diamagnéticos se utilizan en la construcción de blin- dajes, cuando deseamos dispersar las líneas de fuerza de un campo magnético. Cálculos con Fuerzas Magnéticas Si colocamos una carga eléctrica bajo la acción de un campo eléctri- co, la misma queda sujeta a una fuerza; esta fuerza puede ser calcu- lada mediante: F = q . E donde: F es la intensidad de la fuerza (N). q es el valor de la carga (C) y E es la intensidad del campo (N/C). Para el caso del campo magnéti- co, podemos definir una magnitud equivalente a E (Vector de intensi- dad de Campo), que se denomina Vector de Inducción Magnética, el cual es representado por la B (figu- ra 14). La unidad más común para medir el Vector Inducción Magnéti- ca es el Tesla (T), pero también en- contramos el Gauss (G). 1 T = 104G El lanzamiento de una carga eléctrica en un campo eléctrico o en un campo magnético es la base de dispositivos electrónicos muy MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 4 1111 1414 1212 1313
  • 5. importantes. Así, podemos dar como ejemplo el caso de un tu- bo de rayos catódicos, (Cinesco- pio de TV, por ejemplo) en el que la imagen está totalmente determinada por fuerzas de natu- raleza eléctrica y magnética que determinan la trayectoria de los electrones que inciden en una pantalla fluorescente (figura 15). Es, por lo tanto, necesario que el técnico electrónico sepa hacer al- gunos cálculos elementales relati- vos al comportamiento de cargas en campos eléctricos y también magnéticos. a) Fuerza en un campo eléctrico Suponiendo dos placas parale- las, como muestra la figura 16, so- metidas a una tensión V (+ Ve-V), entre ellas existe un campo eléctri- co uniforme cuya intensidad es: E = V/d (V = Potencial y d = distancia) Si entre las placas lanzamos una carga eléctrica, un electrón, o una carga, ésta quedará sujeta a una fuerza que depende de dos facto- res: su polaridad y su in- tensidad. Si la carga fuera positi- va, la fuerza se ejercerá en el sentido de empujarla hacia la placa negativa y, si fuera negativa, al con- trario. La intensidad de la fuerza estará dada por: F = q . E Donde: F es la fuerza en Newtons. q es la fuerza en Coulombs. E es la intensidad de campo en V/m o N/C. En el caso de un campo magné- tico, el comportamiento de la carga lanzada es un poco diferente. De hecho, sólo existirá la fuerza si la carga estuviera en movimiento. Una carga estática no es influencia- da por campos magnéticos. b) Fuerza en campos magnéticos La fuerza a que queda sometida una carga eléctrica lanzada en un campo magnético es denominada Fuerza de Lorentz y tiene las si- guientes características: Dirección perpendicular al Vec- tor B y al vector v (velocidad), la Intensidad está dada por la fór- mula: F = q . v . B sen ø Donde: F = fuerza en Newtons q = carga en Coulombs v = velocidad en m/s ø = ángulo entre V y B Sentido dado por la regla de la mano izquierda de Fleming, co- mo muestra la figura 17. Representando el campo (B) con el dedo índice y la velocidad (v) con el dedo del medio, la fuerza que actuará sobre la carga estará dada por la posición del pulgar (F). Si la carga fuera negativa, se in- vierte el sentido de F. Observe que si lanzamos una carga paralela a las líneas de fuerza del campo magné- tico (B paralelo a v), entonces, el seno ø será nulo. En estas condicio- nes, no habrá ninguna fuerza que actúe sobre la carga. Otros casos: 1) Lanzamiento perpen- dicular al campo: en este caso, la carga realiza un movimiento circular unifor- me, como se ve en la figu- ra 18, cuya trayectoria tie- ne radio R. El radio R puede ser calcu- lado por: m.v R = ______ q.B MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 5 1515 1616 1717
  • 6. Donde: R es el radio en metros m es la masa de la partícula lanzada en kg. v es la velocidad en m/s. q es la carga en C. B es la intensidad del campo en T. 2) Lanzamiento obli- cuo: Si la trayectoria de la partícula cargada lanzada en el campo magnético no fuera paralela ni per- pendicular a las líneas del campo magnético, las fuerzas actuarán en el sentido de hacerla descri- bir una espiral, como muestra la figura 19. El paso de la espiral es dado por la componente V1 de la velocidad, mien- tras que el radio R de la espiral se da por la com- ponente V2 de la veloci- dad. Basándonos en fórmulas ante- riores, podemos calcular fácilmente las dos componentes. Aunque cor- temos el imán, siempre aparecerán los polos que faltan y los trozos siempre serán imanes completos hasta llegar a los imanes elementa- les, cuando esta división se torna imposible. Es interesante hacer no- tar, sin embargo, que físicos teóri- cos especulan sobre la posibilidad de que existan partículas elementa- les que sean monopolos magnéti- cos; pero eso es todavía una cues- tión sin comprobación. "¿De dónde viene el magnetismo natural de la magnetita?" Como ya estudiamos, la Tierra posee un campo magnético que la convierte en una especie de gigan- tesco, aunque débil, imán capaz de mover la aguja imantada de una brújula. La acción de este imán na- tural que es la propia Tierra, se en- cargó de orientar los imanes ele- mentales existentes en la magnetita en el momento de su solidificación. Un hecho interesante es que la orientación de imanes elementales en rocas antiguas no sólo permite a los científicos fechar la época de su formación, sino que tam- bién les permite obtener otras informaciones intere- santes, como la posición de los polos y la época en que esto ocurrió, o de la propia roca. La ciencia también estudia los llama- dos "fósiles magnéticos". Dispositivos Electromagnéticos Sabemos que cuando una corriente recorre un con- ductor rectilíneo, el movi- miento de las cargas es responsable de la apari- ción de un campo magné- tico. Ese campo magnético tiene la misma naturaleza que el que se produce con una barra de imán perma- nente y puede atraer o re- peler objetos de metal. En el caso del campo pro- ducido por una corriente en un conductor, no sólo tenemos el con- trol de su intensidad sino que tam- bién podemos intervenir en la "geo- metría" del sistema, darle formas y disposiciones mediante las que se puede aumentar, dirigir y difundir las líneas de fuerza del campo se- gún se desee. Hay varias maneras de lograr eso, lo que nos lleva a la elaboración de distintos dispositivos de aplicación en electrónica. Electroimanes y Solenoides El campo creado por una co- rriente que recorre un conductor rectilíneo, como muestra la figura 20, es muy débil. Se necesita una corriente relativamente intensa, ob- MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 6 1818 1919 2020
  • 7. tenida de pilas grandes o de bate- ría, para que se observe el movi- miento de la aguja imantada. Para obtener un campo magnético mu- cho más intenso que éste, con me- nos corriente y a partir de alambres conductores, pueden enrollarse los alambres para formar una bobina o solenoide, como muestra la figura 21. Cada vuelta de alambre se com- porta como un conductor separado y, entonces, el conjunto tiene como efecto la suma de los efectos de las corrientes. De esta manera, en el interior del solenoide tenemos la suma de los efec- tos magnéticos. En la figura 22 se grafica la forma de obtener el sentido del campo magnético genera- do cuando se conoce la pola- ridad de la corriente. Se ob- serva que la bobina se com- porta como un imán en for- ma de barra con los po- los en los extremos. Cualquier material ferro- so, en las cercanías de la bobina, será atraído por el campo magnético que ésta genera (figura 23). Si en el interior de la bobina coloco un núcleo de hierro, el campo magnético se incremen- ta, y puede atraer a otros objetos ferrosos más pesados. Al conjunto así formado se lo llama electroimán y posee innumerables apli- caciones, por ejemplo en grúas, válvulas en la- varropas, maquinarias textiles, etc. Relés y Reed-Relés La estructura de un relé se muestra en la figura 24. Se puede apreciar que en las cer- canías del electroimán recién estudiado se coloca un juego de contactos eléctricos. En el caso de la figura, cuando no circula corriente por el solenoi- de (bobina), los contactos per- manecen abiertos. Cuando la bobina es energizada, el cam- po magnético atrae el contador móvil que se "pega" con el fi- jo, y cierra, de esta manera, algún circuito eléctrico. En la figura 25 se da un ejemplo de relé con 3 contactos; el principio de funcionamiento es el mismo, só- lo que ahora existe un contacto normal cerrado (bobina sin energía) y otro normal abierto. Otro tipo de relé es el llamado "reed-relé", cuyo aspecto funcional se ve en la figura 26. MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 7 2626 2121 2222 2323 2525 2424
  • 8. Se tiene un interruptor de lámi- nas encerradas en un tubo de vidrio lleno de gas inerte. Con el gas iner- te, las chispas que se producen du- rante el cierre y apertura de los contactos no les causan daños (no se queman). Con eso, contactos relativamente chicos pueden soportar corrientes intensas y, además, la operación es relativamente alta en relación con la distancia que separa a los contactos en la posición "abierto". La "reed- switch", que es un interruptor de lá- minas, se acciona, en condiciones normales, por la aproximación del imán, como se muestra en la figura 27. Una aplicación importante de este componente está en los siste- mas de alarma, en los que la aper- tura de una puerta o una ventana hace que un imán abra o cierre los contactos de una reed-switch acti- vando la alarma (figura 28). En el caso de un reed-relé, el accionamiento de los contactos lo efectúa el campo magnético de un solenoide que envuelve la ampolla. Con muchas espiras de alambre barnizado pueden obtenerse relés ultra sensibles, capaces de cerrar los contactos con corrientes de bo- bina de pocos miliamperes. La co- rriente de contacto depende exclu- sivamente del "reed-switch" que se use, pero son típicas las del orden de 100 a 1.000mA. La ventaja prin- cipal de este relé, además de la sensibilidad, es la posibilidad de montaje en un espacio muy reduci- do, pues el componente es de pe- queñas dimensiones. Los Galvanómetros El galvanómetro de bobina mó- vil o de D'Arsonval es un compo- nente electrónico que utiliza el efecto magnético de la corriente. Se usa este dispositivo para medir co- rrientes eléctricas para aprovechar justamente el hecho de que el campo magnético y, por consiguiente, la fuerza que actúa con el imán, es proporcional a la corriente que pasa por la bobina. En la figura 29, vemos este componente en forma simplifica- da. Entre los polos de un imán perma- nente se coloca una bobina que puede moverse res- pecto de dos ejes que sirven también de contactos eléc- tricos. Resortes es- piralados limitan el movimiento de la bobina, el que se hace más difícil cuando se acerca al final del reco- rrido. En la bobina se coloca una agu- ja que se desplaza sobre una escala. Cuando circula corriente por la bo- bina se crea un campo magnético que interactúa con el campo del imán permanente, surgiendo, enton- ces, una fuerza que tiende a mover el conjunto. El movimiento será tan- to mayor cuanto más intensa sea la corriente. Podemos, así, calibrar la escala en función de la intensidad de la corriente. Son comunes los galvanó- metros que tienen sus escalas cali- bradas con valores máximos, llama- dos también "fondo de escala", en- tre 10µA (microamperes) y 1mA (miliampere). Los galvanómetros pueden for- mar parte de diversos instrumentos que miden corrientes (miliamperí- MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 8 2929 2727 2828
  • 9. metros o amperímetros), que miden tensiones (voltímetros, resistencias ohmímetros), o que miden todas las magnitudes eléctricas (multímetros). Los Inductores Podemos reforzar en forma con- siderable el campo magnético crea- do por una corriente que circula en un conductor, si enrollamos el con- ductor para formar una bobina. La inductancia de una bobina es tam- bién mucho mayor que la de un conductor rectilíneo. Tenemos, en- tonces, componentes llamados in- ductores (que aparecen en los dia- gramas representados por espirales con letras "L") que presentan induc- tancias, o sea una inercia a las variaciones bruscas de la corriente. (Figura 30). Los inductores pueden tener diversas característi- cas de construcción se- gún la aplicación a la que se destinan. Tenemos, en- tonces, los inductores de pequeñas inductancias, formados por pocas espi- ras de alambre, con o sin un núcleo de material fe- rroso en su interior. Algu- nos de esos inductores poseen núcleos adapta- bles, de modo que puede modificarse su inductan- cia. (Figura 31). La presencia del mate- rial ferroso aumenta la in- ductancia, multiplicada por un factor que puede ser bastante grande. La unidad de induc- tancia es el henry, H en forma abreviada. El múltiplo más usado es: -El milihenre (mH) que vale 0,001 henry, o milésima parte del Henry. Los pequeños inductores para aplicaciones en frecuencias eleva- das tienen inductancias que varían entre pocos microhenry y milihenry, mientras que los que se usan para frecuencias medias y bajas pueden tener inductancias hasta de algunos henrys. Existen otras denomina- ciones para los inducto- res, como, por ejemplo, choque, reactor, bobina, etc. Inductancia La oposición o inercia que presenta el inductor a las variaciones de in- tensidad de la corriente depende de la cantidad de líneas de fuerza que cortan el conductor o es- piras de la bobina. Denominamos flujo mag- nético, representado por Ø, al número de líneas de fuerza que atraviesan una cierta superficie (S). Calculamos el flujo en una espira de la bobina mediante la fórmula: Ø = B. S. cos α MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 9 3030 3131
  • 10. En la que: Ø es la intensidad del flujo mag- nético que se mide en weber, cuyo símbolo es Wb. B es la intensidad de la induc- ción magnética medida en Tesla (T). S es la superficie rodeada por la espira, en metros cuadrados. Si tuviéramos una bobina con n espiras, basta multiplicar el segundo miembro de la fórmula por n: Ø = n.B.S.cos α Si en el interior del solenoide o bobina se colocara un núcleo de material ferroso, debemos multipli- car la permeabilidad del material por el resultado. Partiendo de esta fórmula del flu- jo se puede, fácilmente, llegar a la fórmula de la inductancia propia- mente dicha, que será válida para so- lenoides en los que la longitud no sea mucho mayor que el diámetro. Tenemos, entonces, dos casos: a) Fórmula para solenoides con núcleo de aire (figura 32). 1,257 . n2 . S . 10-8 L = ______________________ I En la que: L es la inductancia en henry (H). n es el número de espiras del solenoide. I es la longitud del solenoide en centímetros. S es la superficie rodeada por una espira, en centímetros cuadra- dos. Los valores 1,257 y 10-8 son constantes que dependen de la per- meabilidad magnética del medio, en este caso del aire, además de las unidades de longitud y superficie que se utilicen. Para calcular el área rodeada por una espira, teniendo en cuenta que el solenoide o bobina es circular, podemos aplicar la fórmula: S = 2 . 3,14 . R En la que: S es la superficie en centímetros cuadrados. R es el radio (mitad del diáme- tro) de la bobina, en centímetros. 3,14 es el valor de π (pi) que es constante. En la práctica, esta fórmula no debe emplearse para bobinas cuya longitud exceda el doble del diáme- tro. Observación: Las fórmulas en cuestión son empíricas, o sea que tienen valores aproximados, pero esa precisión sir- ve perfectamente para las aplicacio- nes prácticas. Pueden deducirse fórmulas mu- cho más exactas mediante el cálcu- lo diferencial pero son más trabajo- sas y no se justifica el tiempo em- pleado cuando las aplicaciones son menos críticas. b) Fórmula para solenoide con núcleo ferromagnético: 1,257 . n2 . S . µ . 10-8 L = ______________________ I En la que: L es la inductancia en henry. n es el número de espiras. S es el área abrazada por una espira, en centímetros cuadrados. µ es el coeficiente de permeabi- lidad del núcleo. I es la longitud, en centímetros, de la bobina. 1,257 y 10-8 son constantes que dependen de las unidades usadas y de la permeabilidad del medio del núcleo. El mismo razonamiento es válido para calcular la superficie ro- deada por una espira. ✪ MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICA 3232