En la actualidad, utilizamos los imanes de muchas formas diferentes. Desde la forma en que se cierra la puerta de un frigorífico hasta la manera en la que tus auriculares reproducen música, desde la generación y transmisión de electricidad, hasta el motor de tu coche. Todos usan la fuerza magnética de una forma u otra.

Dada la ubicuidad actual de los imanes, nuestra civilización, si no contara con ellos, se quedaría desnuda. No tendríamos ninguna forma de mover la corriente eléctrica por todo el país; todos nuestros motores eléctricos serían inútiles; y no podríamos hablar a distancia, como tanto hemos hecho en los últimos meses.

A veces, damos demasiadas cosas por sentadas. Sin embargo, todos nosotros, es decir, no solo los científicos, deberíamos tratar de comprender qué es el magnetismo, cómo funcionan los imanes, cuál es la relación tan especial que existe entre la electricidad y el magnetismo, y cómo hace tal conexión que funcione nuestro mundo.

Estos serán nuestros objetivos a lo largo de estos artículos: permitir que todo el mundo pueda comprender por qué los electrones tienen un momento magnético o por qué una corriente eléctrica puede producir un campo magnético. Por qué ese flujo magnético puede inducir una carga eléctrica, o por qué todo esto es tan importante para nuestro mundo.

En este artículo, analizaremos algunos de los conceptos básicos del campo magnético, así como las tecnologías magnéticas más importantes. ¿Preparado?

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Allá vamos

¿Qué es el magnetismo?

Empecemos por el magnetismo.

que es el electromagnetismo
El electromagnetismo está presente en todas partes.

El magnetismo es la fuerza, presente en y entre todos los objetos, que se produce a partir del movimiento de los electrones, y que resulta en la atracción y repulsión de diferentes objetos. Se trata de una fuerza «sin contacto» que afecta a todos los diferentes objetos del mundo, en mayor o menor medida, y es el resultado del movimiento de estas partículas subatómicas, electrones, y su carga eléctrica.

Electrones, momentos magnéticos y los tres tipos de magnetismo

Cada átomo de cualquier sustancia está formado por partículas (neutrones, electrones y protones). En el magnetismo, nos centramos únicamente en los electrones.

Los electrones tienden a orbitar alrededor de los neutrones, cada uno con su propia carga, ya sea positiva o negativa. Lo que generalmente sucede es que los electrones se «emparejan» con los de la carga opuesta, lo que se traduce en que un electrón con una carga negativa se empareja con uno que es positivo; de tal forma que la sustancia sería relativamente estable, ya que todas las cargas quedarían equilibradas.

Cuando las sustancias tienen electrones emparejados, ocurre un fenómeno denominado diamagnetismo.

Sin embargo, hay muchos tipos de materiales, como el oxígeno, en los que encontramos electrones sueltos. Cuando esto sucede, la sustancia se vuelve mucho más magnética, ya que todos los electrones pueden alinearse. En la mayoría de estos materiales, sin embargo, no es así, ya que los «momentos magnéticos» de cada uno de estos electrones individuales no son iguales, a menos que estén bajo la influencia de un campo magnético externo.

Estas sustancias que solo muestran su magnetismo cuando están en un campo magnético externo se denominan sustancias paramagnéticas.

Finalmente, están las sustancias ferromagnéticas. Estas hacen referencia a los materiales magnéticos en los que encontramos electrones sueltos del mismo momento magnético. ¿En qué se traduce esto? En que espontáneamente pueden volverse magnéticos y seguirán siendo magnéticos incluso después de la eliminación de un campo magnético externo.

¿En qué consiste un campo magnético?

Cada imán u objeto magnético tiene un campo magnético: todo lo que se encuentra alrededor del imán donde está presente su fuerza magnética. En concreto, se trata del espacio afectado por la carga magnética del imán.

Los imanes permanentes y los electroimanes tienen campos magnéticos duraderos, que normalmente se pueden ver a través de las limaduras de hierro, que se organizan con la forma de las líneas del campo magnético. Estos seguirán el flujo desde el polo norte del imán hasta su polo sur.

Los campos magnéticos cambian según la fuerza del imán.

¿Quieres saber más sobre los campos magnéticos?

¿Qué es un electroimán?

Aparte de los momentos magnéticos de los electrones, la otra cosa que produce campos magnéticos son las cargas eléctricas. Este descubrimiento, realizado allá por la década de 1830, ha sido uno de los más importantes de la historia, ya que creó el vínculo entre el magnetismo y la electricidad.

Acabamos de ver que los electrones de una sustancia tienen una carga magnética, debido a su movimiento dentro del material magnético.

No obstante, el lugar en el que realmente se mueven los electrones es en las corrientes eléctricas, que, en realidad, son solo el movimiento de los electrones. A medida que las corrientes bajan por un cable, el cable se magnetiza a medida que el movimiento de los electrones produce el campo magnético.

André-Marie Ampère fue quien lo descubrió, ya que demostró que los cables paralelos se atraerían o repelerían entre sí, dependiendo de la dirección en la que pasara la corriente. (Más tarde le daría su nombre a la unidad del amperio, por cierto).

Aprende todo esto y mucho más con un profesor de fisica particular de Superprof.

electromagnetismo definicion
Comprender la base del magnetismo y del electromagnetismo es fundamental para nuestro día a día.

¿Cómo crear un electroimán?

Desde los primeros electroimanes, la tecnología en este aspecto no es que haya cambiado mucho. Se han vuelto más fuertes, sí, pero la estructura general de los dispositivos sigue siendo la misma.

Los electroimanes están hechos de una bobina de alambre, envuelto alrededor de un núcleo de metal (por lo general, compuesto por un material ferromagnético, como el hierro). Por la bobina de alambre pasa una corriente eléctrica, cuyo campo magnético se centra en el orificio de la bobina, es decir, el núcleo de hierro. Toda esta estructura es conocida como solenoide y todavía se sigue usando en todos los lugares donde el electromagnetismo se pone en acción.

Tan pronto como se apaga la corriente eléctrica, el solenoide deja de ser magnético.

Un pequeño apunte sobre la relación entre el magnetismo y la electricidad

Aunque sabemos que la electricidad produce un campo magnético y que los campos magnéticos dependen de los electrones, la distinción entre magnetismo y electricidad es falsa.

No se trata de fuerzas discretas. Más bien, son el mismo principio físico, como dos caras de la misma moneda. El «electromagnetismo» como concepto es en realidad una de las fuerzas fundamentales del universo.

¿Qué es la inducción electromagnética?

Uno de los descubrimientos más útiles en la historia del electromagnetismo vino de la mano de Michael Faraday, un científico británico del siglo XIX. Hablamos de la inducción electromagnética, una de las partes centrales de todo lo que sabemos sobre el electromagnetismo hasta la fecha de hoy.

Líneas de campo electromagnético
¿Sabes que es así como se representa un diagrama de un campo magnético?

Los experimentos de Faraday se centraron en la forma en la que los campos magnéticos manipulaban las cargas eléctricas. Y supuso que los cambios en un campo magnético se pudieran utilizar para inducir una corriente eléctrica.

Aunque parezca complicado, sus experimentos prácticos reales fueron bastante sencillos. Cogió un anillo de hierro y envolvió dos cables diferentes alrededor de los lados opuestos del anillo, produciendo dos solenoides en la misma pieza de hierro.

Conectó un trozo de cable a una batería, conectó otro a un galvanómetro, una máquina que mide cargas eléctricas. Conectar y desconectar el primer cable de la batería produjo un cambio en la carga detectada por el galvanómetro. De esta manera, Faraday demostró que el cambio en el campo magnético en el anillo de hierro podía inducir una corriente eléctrica en el cable separado.

Para probar sus ideas sobre esta relación particular entre electricidad y magnetismo, hizo otro experimento. Con un solenoide sin núcleo (por lo tanto, solo una bobina de alambre), insertó y extrajo una barra magnética de la bobina. Cuando empujó el imán más rápido, descubrió que se producía una corriente mayor en el cable.

¿Por qué fue esto tan importante? Porque Faraday allanó el camino para el conocimiento de que las corrientes eléctricas no solo fluyen a través de los cables, al tiempo que estableció el terreno teórico sobre el que llegamos a producir energía eléctrica mediante la manipulación de su campo magnético.

¿Qué es un transformador?

Los transformadores son la pieza de tecnología crucial que utiliza la ciencia de la inducción electromagnética.

Física y electromagnetismo
Es fundamental entender el campo electromagnético en física.

Son quizás los dispositivos eléctricos más comunes del planeta, con casi la totalidad de la energía eléctrica que producimos y usamos pasando por al menos un transformador en su recorrido.

¿Pero qué son los transformadores? Un transformador es un dispositivo estático que cambia una corriente de alto voltaje en una de voltaje mucho más bajo. Lo hace mediante la presencia de dos solenoides adyacentes y mediante la inducción electromagnética de Faraday.

La electricidad se transmite a través de redes eléctricas masivas que hay por todo el país (y por todo el continente). Pero para que no suba el precio, la electricidad que se transporta es de voltajes súper altos. De este modo, se reduce el desperdicio de energía y se traduce en que los cables en sí no necesitan ser enormes.

Sin embargo, en realidad no podemos utilizar electricidad de alto voltaje. Antes de que la electricidad se distribuya localmente por nuestros hogares, debe transformarse en electricidad de menor voltaje. Para eso tenemos los transformadores.

Reducción del voltaje actual

Con la ley de Faraday se demuestra cómo se puede utilizar la inducción electromagnética para reducir y aumentar el voltaje de las corrientes eléctricas.

Volvamos brevemente a su experimento: utilizó dos bobinas diferentes, en las que los cambios en el campo magnético entre las dos indujeron una corriente eléctrica en la segunda.

Sin embargo, si se varía el número de bobinas en el cable, puede cambiar el voltaje de la corriente inducida. Digamos que tienes diez bobinas en el primer cable, simplemente se puede reducir a la mitad el número de bobinas en el segundo y obtener la mitad del voltaje.

Así es precisamente como funcionan los transformadores.

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Mariana

Millennial empedernida. Comer, viajar, amar.