El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales del universo, responsable de todo, desde los campos eléctricos y magnéticos hasta la luz. Originalmente, los científicos creían que el magnetismo y la electricidad eran fuerzas separadas. Pero a fines del siglo XIX, este punto de vista cambió, ya que la investigación demostró de manera concluyente que las cargas eléctricas positivas y negativas se regían por una sola fuerza (es decir, magnetismo).
Desde entonces, los científicos han intentado probar y medir campos electromagnéticos y recrearlos. Con este fin, crearon electroimanes, un dispositivo que utiliza corriente eléctrica para inducir un campo magnético. Y desde su invención inicial como instrumento científico, los electroimanes se han convertido en una característica habitual de los dispositivos electrónicos y los procesos industriales.
Los electroimanes se distinguen de los imanes permanentes en que solo muestran una atracción magnética hacia otros objetos metálicos cuando una corriente pasa a través de ellos. Esto presenta numerosas ventajas, ya que el poder de su atracción magnética puede controlarse y encenderse y apagarse a voluntad. Es por esta razón que se usan ampliamente en la investigación y la industria, donde sea que se requieran interacciones magnéticas.
Historia de los electroimanes:
El primer descubrimiento registrado de la relación entre la electricidad y el magnetismo ocurrió en 1820, cuando el científico danés Hans Christian Orsted notó que la aguja en su brújula apuntaba hacia el norte magnético cuando se encendía una batería cercana. Esta desviación lo convenció de que los campos magnéticos irradian desde todos los lados de un cable que lleva una corriente eléctrica, al igual que la luz y el calor.
Poco después, publicó sus hallazgos, mostrando matemáticamente que una corriente eléctrica produce un campo magnético a medida que fluye a través de un cable. Cuatro años después, el científico inglés William Sturgeon desarrolló el primer electroimán, que consistía en una pieza de hierro en forma de herradura envuelta con alambre de cobre. Cuando la corriente pasa a través del cable, atraería otras piezas de hierro, y cuando la corriente se detuvo, perdió la magnetización.
Aunque débil para los estándares modernos, el electroimán de Sturgeon demuestra su utilidad potencial. A pesar de pesar solo 200 gramos (7 onzas), podría levantar objetos que pesaban aproximadamente 4 kg (9 libras) con solo la corriente de una batería de celda única. Como resultado, la investigación comenzó a intensificarse tanto en electroimanes como en la naturaleza de la electrodinámica.
En la década de 1930, el científico estadounidense Joseph Henry hizo una serie de mejoras en el diseño del electroimán. Al usar cable aislado, pudo colocar miles de vueltas de cable en un solo núcleo. Como resultado, uno de sus electroimanes podría soportar hasta 936 kg (2.063 lbs) de peso. Esto debía tener un efecto popularizador sobre el uso de electroimanes.
Tipos de electroimanes:
Una corriente eléctrica que fluye en un cable crea un campo magnético alrededor del cable, debido a la ley de Ampere. Esta ley establece que, para cualquier ruta de circuito cerrado, la suma de los elementos de longitud por el campo magnético en la dirección del elemento de longitud es igual a la permeabilidad por la corriente eléctrica encerrada en el circuito.
Para concentrar el campo magnético en un electroimán, el cable se enrolla en una bobina muchas veces, asegurándose de que el cable giratorio esté lado a lado a lo largo del borde. El campo magnético generado por los giros de alambre pasa a través del centro de la bobina, creando un fuerte campo magnético allí. El lado del imán del que emergen las líneas de campo se define como el Polo Norte.
Una bobina de alambre que toma la forma de una hélice se llama "solenoide". Sin embargo, se pueden producir campos magnéticos mucho más fuertes si se coloca un material ferromagnético (es decir, hierro) dentro de la bobina. Esto es lo que se llama un "núcleo ferromagnético" (o "electroimán con núcleo de hierro"), que puede generar un campo magnético mil veces la fuerza de una bobina sola.
Entonces es lo que se conoce como un "núcleo toirodal", en el cual el alambre se enrolla alrededor de un núcleo ferromagnético que toma la forma de un circuito cerrado (también conocido como circuito magnético). En este caso, los campos magnéticos toman la forma de un circuito cerrado, presentando así mucho menos "resistencia" al campo magnético que el aire. Como resultado, se puede obtener un campo más fuerte si la mayor parte del camino del campo magnético está dentro del núcleo.
Y luego están los electroimanes "superconductores", que están compuestos de alambre enrollado hecho de materiales superconductores (como el niobio-titanio o el diboruro de magnesio). Estos cables también se mantienen a temperaturas criogénicas para garantizar que la resistencia eléctrica sea mínima. Dichos electroimanes pueden conducir corrientes mucho más grandes que el cable ordinario, creando los campos magnéticos más fuertes de cualquier electroimán, a la vez que son más baratos de operar porque no hay pérdida de energía.
Usos modernos para electroimanes:
Hoy en día, existen innumerables aplicaciones para electroimanes, que van desde maquinaria industrial a gran escala, hasta componentes electrónicos a pequeña escala. Además, los electroimanes se utilizan ampliamente para realizar investigaciones y experimentos científicos, especialmente cuando se requiere superconductividad y aceleración rápida.
En el caso de los solenoides electromagnéticos, se usan donde sea que se necesite un campo magnético uniforme (es decir, controlado). Lo mismo ocurre con el electroimán con núcleo de hierro, donde se puede insertar o quitar un núcleo de hierro u otro núcleo ferromagnético para intensificar la intensidad de campo del imán. Como resultado, los imanes solenoides se encuentran comúnmente en marcadores electrónicos de paintball, máquinas de pinball, impresoras matriciales e inyectores de combustible, donde se aplica y controla el magnetismo para garantizar el movimiento controlado de componentes específicos.
Dada su capacidad para generar campos magnéticos muy potentes, baja resistencia y alta eficiencia, los electroimanes superconductores a menudo se encuentran en equipos científicos y médicos. Estos incluyen máquinas de imágenes de resonancia magnética (MRI) en hospitales e instrumentos científicos como espectrómetros de resonancia magnética nuclear (RMN), espectrómetros de masas y también aceleradores de partículas.
Los electroimanes también se usan ampliamente cuando se trata de equipos musicales. Estos incluyen altavoces, auriculares, campanas eléctricas y equipos de grabación magnética y almacenamiento de datos, como grabadoras de cinta. La industria de multimedia y entretenimiento se basa en electroimanes para crear dispositivos y componentes, como videograbadoras y discos duros.
Los actuadores eléctricos, que son motores responsables de convertir la energía eléctrica en par mecánico, también se basan en electroimanes. La inducción electromagnética es también el medio a través del cual funcionan los transformadores de potencia, que son responsables de aumentar o disminuir los voltajes de la corriente alterna a lo largo de las líneas eléctricas.
El calentamiento por inducción, que se utiliza para cocinar, fabricar y para tratamientos médicos, también dependía de electroimanes, que convierten la corriente eléctrica en energía térmica. Los electroimanes también se utilizan para aplicaciones industriales, como los levantadores magnéticos que utilizan la atracción magnética para levantar objetos pesados o separadores magnéticos que son responsables de separar los metales ferromagnéticos de la chatarra.
Y por último, pero ciertamente no menos importante, existe la aplicación de trenes maglev. Además de utilizar la fuerza electromagnética para permitir que un tren levite sobre una vía, los electroimanes superconductores también son responsables de acelerar los trenes a altas velocidades.
En resumen, los usos de los electroimanes son prácticamente ilimitados, alimentando todo, desde dispositivos de consumo y equipos pesados hasta el transporte público. En el futuro, también pueden ser responsables del viaje espacial, donde los sistemas de propulsión iónica utilizan campos magnéticos para acelerar las partículas cargadas (es decir, iones) y lograr el empuje.
Hemos escrito muchos artículos interesantes sobre electroimanes aquí en la revista Space. ¿Quién descubrió la electricidad ?, ¿de qué están hechos los imanes ?, ¿cómo funcionan los imanes ?, el campo magnético de la Tierra y la propulsión iónica.
Para obtener más información, asegúrese de consultar Experimentos de recursos educativos de la NASA con electroimanes y el papel de la Tierra como electroimán y la creación de auroras, y la página de longitud de onda de la NASA en electroimanes.
How Stuff Works también tiene una gran página, titulada "Introducción a cómo funcionan los electroimanes", y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (MagLab) tiene algunos artículos maravillosos sobre electroimanes, cómo fabricarlos y cómo funcionan.
También puedes consultar Astronomy Cast. El episodio 103 trata sobre fuerzas electromagnéticas.
