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Captulo 3ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

3.1 Introduccin

Durante este captulo continuaremos avanzado en el estudio de la elec-tricidad, iniciado en el anterior. Volveremos a considerar varias de las cues-tiones que all se plantearon, relativas a la generacin de electricidad, su

Fig. 3.1 a) Utilizacin de electroimanes en un depsito de chatarra. b)Transformadorde una subestacin de energa elctrica. c) Montaje del rotor de un generador en unaplanta elctrica.

a b

c

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transmisin y el funcionamiento de diversos dispositivos elctricos. Pero ahoracentraremos la atencin en una serie de dispositivos (ver figura 3.1), de graninters prctico y que todava no hemos estudiado, cuyo funcionamiento sebasa en la estrecha relacin que existe entre electricidad y magnetismo.

A 3.1 Menciona dispositivos que conozcas cuyo funcionamiento se base en la relacinentre la electricidad y el magnetismo.

As, en relacin con la generacin de electricidad, conociste el princi-pio bsico de funcionamiento de las pilas; sin embargo, la fuente de electri-cidad que mayor repercusin tiene en nuestras vidas, el generador electro-magntico, an no ha sido examinado. En lo que respecta a la transmisiny utilizacin de la electricidad, falta por considerar una cuestin tan impor-tante como es el funcionamiento de los transformadores. Por otra parte, enla vida cotidiana son abundantes los receptores y sistemas de control, opartes de estos, que trabajan apoyndose en el efecto magntico de la co-rriente elctrica, entre ellos, los motores, los rels, las bocinas o altavocesy las cintas y disquetes de grabacin. La generacin y la transmisin deondas de radio y televisin (ondas electromagnticas) tambin se basan enla estrecha relacin entre la electricidad y el magnetismo.

A 3.2 Confecciona un listado de cuerpos que posean propiedades magnticas, perma-nentes o no.

A 3.3 Indaga acerca de las aplicaciones del magnetismo en la tecnologa, la medicina yen general la vida.

Son innumerables las aplicaciones del efecto magntico en la tecnolo-ga, la ciencia, la medicina y en general la vida. En la inmensa mayora deellas, el magnetismo est claramente asociado con la electricidad, como es elcaso de los electroimanes. Sin embargo, conoces que hay ciertos cuerpos,denominados imanes permanentes, en que esta asociacin parece no existir.Realmente no estar el magnetismo de ellos asociado a la electricidad?

A 3.4 Plantea cuestiones acerca del magnetismo en las cuales profundizar.

Luego de debatir acerca del magnetismo y su importancia en nuestrasvidas, otras veces los alumnos han considerado que sera de inters profun-dizar en cuestiones como estas:

Cules son las caractersticas principales de los imanes y electro-imanes, y de las acciones que ellos ejercen? Cul es la naturaleza de los

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imanes permanentes? Qu relacin hay entre el magnetismo y la electri-cidad? Cmo trabajan algunos dispositivos y equipos cuyo funcionamientose basa en la relacin entre la electricidad y el magnetismo?

3.2 Magnetismo

3.2.1 Imanes e interacciones magnticas

Podemos encontrar imanes permanentes en las juntas de los refrigera-dores, en el cierre de las puertas de algunos armarios, en los altavoces, etc.Tambin estn imanados las agujas de las brjulas y los extremos de algu-nas tijeras y destornilladores. En los ejemplos anteriores, la magnetizacines artificial, producida por el hombre, pero existen adems imanes perma-nentes naturales; ejemplos de ello son algunos minerales, como la magne-tita. Se cree que este trmino y el de magnetismo provienen de una reginal noroeste de Grecia llamada Magnesia, en la cual haba minas de estemineral. Nuestro planeta y otros muchos astros constituyen ejemplos deimanes naturales gigantes.

A 3.5 Para qu crees t que se imanen los extremos de algunas tijeras y destornilladores?

A 3.6 Indaga acerca del magnetismo terrestre: sus caractersticas, su origen, importan-cia prctica, etctera.

A 3.7 a) Familiarzate con la accin de los imanes entre s y sobre otros cuerpos.b) Riega limaduras de hierro sobre una cartulina colocada encima de un imn recto y,luego, repite la experiencia utilizando un imn en forma de herradura. c) Teniendo encuenta las experiencias realizadas en los incisos anteriores, describe las caractersticasbsicas de la accin magntica de los imanes sobre otros cuerpos.

A 3.8 Ser unilateral la accin de un cuerpo magnetizado sobre otro, o consistir enuna accin mutua, es decir, en una interaccin? Intenta realizar una experiencia queapoye tu respuesta

Si has manipulado imanes, seguramente sabes que la accin de susextremos, o polos, es ms intensa que la de otras partes suyas. Tambinhabrs advertido que entre ellos pueden ejercerse fuerzas de dos tipos: deatraccin y de repulsin. La aguja magntica de una brjula, o un imnrecto que se suspende de un hilo, se orientan en una direccin prxima a laNorte-Sur. Al polo de la aguja o imn que se dirige hacia el norte se lellama polo norte y al otro, polo sur. Los polos del mismo tipo se repelen ylos de diferentes tipos se atraen.

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A 3.9 Mediante una brjula o una aguja magntica, localiza la direccin norte de laTierra. Identifica los polos norte y sur de la aguja magntica. Utiliza la brjula o agujamagntica para identificar los polos norte y sur de un imn.

Cmo se transmite la accin magntica de un cuerpo a otro? Sitenemos un imn y un cuerpo de hierro a determinada distancia uno delotro y movemos, por ejemplo, el imn hacia el cuerpo, la fuerza que seejerce entre ellos aumenta, pero no instantneamente, se requiere deter-minado tiempo para ello. Este tiempo es extremadamente pequeo, puesla accin magntica se transmite de modo similar que la elctrica, a tra-vs de un campo, a unos 300 000 km/s. Sorprende la intuicin del fsicoy qumico britnico Michael Faraday (1791-1867), quien ya en 1832 es-cribi que la accin de un imn sobre otro se propaga a partir de loscuerpos magnticos poco a poco y para su propagacin se requiere deter-minado tiempo.

A 3.10 Indaga acerca de la vida de Michael Faraday y sus aportes a la ciencia.

Cuando se riegan limaduras de hierro sobre una cartulina colocadaencima de un imn, se distribuyen de un modo caracterstico (fig. 3.2),que da idea de la accin ejercida por el imn sobre ellas. Las lneas for-madas por las partculas de hierro constituyen una representacin del cam-po magntico del imn, muestran su direccin en diferentes puntos delespacio.

Fig. 3.2 Representacin de las lneas delcampo magntico en un imn de barra yotro de herradura.

Las lneas del campo magntico asociado a cierto cuerpo se dibujande tal modo que: 1) indican la direccin del campo en cada punto del espa-

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cio que lo rodea y 2) en las zonas en que es ms intenso, la concentracinde las lneas es mayor.

A 3.11 Establece analogas y diferencias entre los cuerpos electrizados y los imanes, yentre las interacciones originadas por ambos.

3.2.2 Corriente elctrica y magnetismo

Como sabes, adems de los imanes permanentes, con mucha frecuenciase emplea el efecto magntico de la corriente elctrica, descubierto por Oersteden el ao1820 (ver figura 2.11). Este efecto est presente, sin excepcin, siem-pre que haya una corriente elctrica. Esto lo distingue de otros efectos, como elqumico o el luminoso, que requieren determinadas condiciones para producir-se, e incluso del trmico, que no se manifiesta en los superconductores.

La figura 3.3 muestra la disposicin que adoptan las limaduras cuandose esparcen en una cartulina que es atravesada por un conductor rectilneocon corriente. En este caso, las lneas del campo magntico son circulares.

Fig. 3.3 Representacin de laslneas del campo magntico enun conductor rectilneo concorriente.

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La figura 3.4 muestra la distribucin de ellas para una espira con corriente.Mediante una brjula puede comprobarse que la espira se comporta comosi tuviera un polo norte en una de sus caras y un polo sur en la otra. Alinvertir el sentido de la corriente, tambin se invierten dichos polos, el queera norte pasa a ser sur y viceversa.

Fig. 3.4 Representacin de laslneas del campo magntico enuna espira con corriente.

A 3.12 Cmo pudiera determinarse el sentido de las lneas del campo magntico en lasituacin de la figura 3.3?

A 3.13 De qu factores depende el efecto magntico de una bobina con corrienteformada por numerosas espiras como la de la figura 3.4? Planifica y realiza un experi-mento para comprobar tus suposiciones. Qu sucede al invertir el sentido de la co-rriente en la bobina?

El efecto magntico se hace mucho ms intenso en una bobina, forma-da por una serie de espiras. Su accin es muy similar a la de los imanes. Laaccin magntica de la bobina se incrementa al crecer el nmero de espi-ras, o la intensidad de la corriente, o al introducirse en ella un materialferromagntico (material que se comporta de modo similar al hierro en uncampo magntico), dando lugar a un electroimn. Los materialesferromagnticos posibilitan intensificar el campo de la bobina miles deveces. Ya en 1825 se construy un electroimn de aproximadamente 200 g,que poda sostener una carga de alrededor 6 kg. Actualmente se fabricanelectroimanes capaces de retener cargas de decenas de toneladas. La limi-tacin fundamental para continuar intensificando el campo que ellos pro-ducen, consiste en la elevacin de temperatura al aumentar la intensidad dela corriente. El campo magntico se mide en una unidad denominada tesla

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(T), en honor de Nikola Tesla (1856-1943), ingeniero de origen croata, aquien se deben mltiples invenciones e innovaciones relacionadas con lageneracin y transmisin de la electricidad. En la tabla 3.1 se dan algunosvalores de campo magntico que pueden ser de inters.

Tabla 3.1

CAMPO MAGNTICO EN ALGUNOS CUERPOS E INSTALACIONES

Cuerpo o instalacin Campo magntico (tesla)A 10 cm de un conductor recto y largo (I = 1 A) 2 T

A 1 cm de un conductor recto y largo (I = 1 A) 20 T

En la superficie de la Tierra 30-60 T

En la superficie de Jpiter 400 T

En el interior de una bobina de 1 000 espiras (I = 1 A) 1 mTCerca de un pequeo imn de barra 10 mT

Cerca de un electroimn mediano 1,5 T

En la superficie de una estrella neutrnica 100 MT

A 3.14 En qu zonas de la Tierra ser mayor su campo magntico? En cules menor?Argumenta tus respuestas.

A 3.15 Cmo crees que depende de la distancia el campo magntico de un conductorrecto y largo por el que fluye una corriente? Si la intensidad de corriente es de 1 A, a qudistancia del conductor el valor del campo magntico ser similar que el de la Tierra?

3.2.3 Materiales magnticos y estructura interna

Existen diferentes tipos de magnetismo, pero nos limitaremos a consi-derar el ms comn de ellos, el ferromagnetismo. Entre los materialesferromagnticos ms usuales estn el hierro, el cobalto, el nquel y ciertasaleaciones en que ellos intervienen. De tales materiales se fabrican los ima-nes permanentes. Tambin pueden ser ferromagnticas algunas sustanciascompuestas, como es el caso del xido de hierro y el dixido de cromo,componentes esenciales de muchas cintas y discos utilizados en grabado-ras de sonido, equipos de video y computadoras. Cmo se explican, elreforzamiento del campo magntico que producen tales materiales y elmagnetismo que presentan an despus de desaparecer dicho campo?

Los tomos o molculas de que estn formados constituyen diminutosimanes. Parte de ellos estn acoplados y alineados entre s, formando por-

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ciones que pueden llegar hasta 0, 01 mm de tamao, denominadas dominios.Normalmente dichas porciones estn orientadas al azar y, por eso, el materialno presenta magnetismo. Naturalmente, si el material se coloca en un campomagntico, en unos dominios la orientacin de los imanes atmicos nocoincidir con la del campo y en otros s. Ocurren entonces dos procesos, unoen los dominios no orientados y otro en los orientados. En los primeros, losimanes atmicos tienden a orientarse segn el campo, en los segundos,parte de los imanes atmicos situados fuera de los dominios se alinean conlos de estos y se acoplan a ellos, haciendo que el tamao de dichos dominioscrezca. Ambos procesos conducen al reforzamiento del campo.

A 3.16 Explica con ayuda de un dibujo esquemtico, por qu pese a que los materialesferromagnticos estn formados por porciones en las que los imanes atmicos estnalineados, normalmente no presentan magnetismo, a menos que se les aplique un campomagntico.

Cuando se suprime el campo magntico, los imanes atmicos que pasarona engrosar los dominios no retornan a sus posiciones anteriores, debido a locual el material mantiene cierta magnetizacin.

A 3.17 Explica desde el punto de vista microscpico el magnetismo remanente quepresentan los materiales ferromagnticos.

A 3.18 Cmo pudieras magnetizar un material ferromagntico? Indaga acerca de lasvas para ello. Ensaya la magnetizacin de objetos comunes.

La superficie de cintas y discos de grabacin magntica est impreg-nada de partculas ferromagnticas en forma de aguja, cuyas dimensionespueden ser miles de veces menores que un milmetro. Tales partculas cons-tituyen diminutos imanes. En una cinta no grabada, aproximadamente lamitad de estos pequeos imanes est orientada en una direccin y la otramitad en la direccin opuesta.

3.2.4 Utilizacin prctica del efecto magntico de la corrienteelctrica

Rel electromagntico

Consiste en uno o varios interruptores que son accionados, en lu-gar de manualmente, mediante un electroimn (fig.3.5). El rel posibi-lita controlar dispositivos y circuitos de grandes potencias con otro demucha menor potencia. As, mientras que el electroimn de un rel tra-

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baja con solo varios volt y una corriente de cientos de miliampere, elvoltaje en sus interruptores puede ser de cientos de volt, y la corriente,de decenas de ampere. Los rels suelen utilizarse para accionar, porejemplo, sistemas de encendido y apagado automtico, alarmas, motoresde refrigeradores, faros de automviles. En particular, un circuito comoel de la figura 2.22 no puede accionar receptores de potencia relativa-mente alta, ya que el transistor no lo permite. Sin embargo, en ese caso,el lugar del receptor puede ser ocupado por el electroimn de un rel,cuyo interruptor sera el que pondra en funcionamiento al receptor deelevada potencia.

A 3.19 Explica con tus propias palabras cul es una de las funciones bsicas del rel.

A 3.20 Examina un rel e identifica sus diferentes partes. Conctalo a una fuente deelectricidad y observa el accionar de su interruptor.

A 3.21 Estima cul pudiera ser la potencia elctrica del electroimn de un rel.

Motor elctrico de corriente directa

El funcionamiento de un motor elctrico se fundamenta en lainteraccin entre un conductor con corriente y un imn, hecho que, comoconoces, se puso de manifiesto por primera vez en el experimento de Oersted.Mediante la figura 3.6 ilustraremos, muy simplificadamente, la idea de sufuncionamiento.

Fig. 3.5 Esquema del funcionamiento deun rel electromagntico.220 V

Interruptor

Electroimn

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Ya sabes que una espira con corriente elctrica se comporta como situviera un polo norte en una de sus caras y uno sur en la otra. Por eso,cuando se coloca entre los polos de un imn (fig 3.6a), los polos iguales delimn y de la espira se repelen, y los diferentes se atraen. De modo que si la

Fig. 3.6 Principio del funcionamiento deun motor elctrico.

a

S N

b

NS

c

NS

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espira puede rotar alrededor de un eje, girar, llegar a la posicin de lafigura 3.6b y, debido a su inercia, la rebasar. Finalmente, despus de algu-nas oscilaciones quedar en reposo en esa posicin. Cmo hacer para quela espira contine girando? Para ello se requiere, interrumpir la corrienteuna vez que la espira sobrepase la posicin de la figura 3.6b y volverla adejar pasar, pero en sentido contrario, cuando est en la posicin de lafigura 3.6c. Lo anterior puede lograrse mediante dos semianillos metlicosa los que se conectan los terminales de la espira. El voltaje se aplica adichos semianillos por medio de unas escobillas o carbones que los rozanmientras el conjunto rota.

A 3.21 Examina un modelo de motor similar al descrito en la figura 3.6. Identificasus diferentes partes y el circuito de la corriente elctrica.

A 3.22 Propn algunas ideas que contribuyan a mejorar el motor de la figura 3.6.Examina las partes de un pequeo motor de algn juguete.

Por supuesto, un motor como el de la figura 3.6 no tiene utili-dad prctica. Uno as pudo haberse armado en un laboratorio en 1820,pero con posterioridad hubo que hacer mucho trabajo de ingenierapara llegar a disponer de motores realmente efectivos. En la actuali-dad se fabrican motores cuyas potencias varan en un rango que abar-ca desde fracciones de watt, como los motorcitos de algunos juguetes,hasta decenas de megawatt. Los motores pueden ser de corriente di-recta, pero la mayora de los que hoy se utilizan trabajan con corrientealterna.

A 3.23 Menciona ejemplos de motores de corriente directa y de corriente alterna utili-zados en la prctica.

Bocina electrodinmica

Es posible utilizar diversos principios para reproducir el sonido, peroen la prctica el ms empleado es el de la bocina electrodinmica. Estaconsta (fig. 3.7) de una bobina cilndrica ligera, vinculada a un diafragma,y colocada muy cerca de un imn, tambin cilndrico. Si por la bobina sehace pasar, por ejemplo, la corriente (amplificada) procedente de un mi-crfono, entonces es atrada y repelida por el imn de acuerdo con las osci-laciones de la intensidad de corriente, haciendo vibrar al diafragma. Deeste modo, las bocinas convierten las variaciones de intensidad de corrienteen vibraciones de su diafragma.

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El principio de funcionamiento del audfono es similar al de la bocina.Un pequeo electroimn por el que fluye una corriente que oscila, actasobre un diafragma metlico, hacindolo vibrar.

Entre los componentes esenciales de cualquier sistema de transmisinde sonido por medio de la electricidad, estn el micrfono y el audfono.En los telfonos, por ejemplo, el micrfono transforma al sonido en oscila-ciones de corriente elctrica, que pueden transmitirse a travs de cables(como en los telfonos habituales) o mediante ondas de radio (como en lostelfonos celulares). A su vez, el audfono realiza el proceso inverso, trans-forma las oscilaciones de corriente elctrica en sonido.

Grabacin magntica

Los cabezales empleados en la grabacin magntica son pequeos elec-troimanes. Ellos actan sobre una diminuta rea de las cintas o discos, en lacual hay miles de partculas magnticas. En las cintas de sonido, dicha reapuede tener 0,0025 mm de ancho por 0,5 mm de alto. Durante la grabacinhabitual de sonido, el porciento de partculas magnticas que se orientan enuna u otra direccin vara a lo largo de la cinta, en dependencia de las caracte-rsticas del sonido. Para el borrado, la cinta se somete a un intenso campomagntico alterno, de frecuencia 100 000 Hz, lo cual hace que, de nuevo, aproxi-madamente la mitad de las partculas queden orientadas en una direccin y laotra mitad en direccin contraria. La grabacin magntica digital, utilizada porejemplo en las computadoras, tambin se basa en la orientacin en una pe-quesima rea de las partculas magnticas en una u otra direccin.

3.3 Induccin electromagntica

3.3.1 Ley de induccin de Faraday

A 3.24 Recuerda los cambios o efectos que puede producir una corriente elctrica. A partirde cules de ellos es posible, a su vez, obtener una corriente (relee el epgrafe 2.3.1)?

Fig. 3.7 Principio del funcionamiento de una bocina.

B o b i n acilndrica

Diafragma

Imn

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Ya sabes que entre los cambios o efectos producidos por una corrienteelctrica se encuentran los trmicos, luminosos, qumicos y magnticos.Por otra parte, en el epgrafe 2.3.1 vimos que, mediante elevacin de tem-peratura, radiacin luminosa y reacciones qumicas, es posible obtener elefecto inverso, es decir, una corriente elctrica. Cabe pues preguntarse,ser posible obtener tambin una corriente elctrica a partir del campomagntico producido por un cuerpo?

A 3.25 Entre, por un lado, los cambios trmicos, luminosos y qumicos, y por otro lado, lacorriente elctrica, tienen lugar relaciones recprocas. Exprsalas mediante un esquema.Qu relaciones sugiere dicho esquema entre la corriente elctrica y el campo magntico?

Al parecer, la idea de las transformaciones recprocas entre fenme-nos de distinta naturaleza condujo a Michael Faraday a una pregunta simi-lar a la del prrafo anterior del texto. En el ao 1823 escribi la siguienteanotacin en su diario: Transformar el magnetismo en electricidad. Ochoaos despus encontr la solucin. De ella trataremos a continuacin.

Como conoces, al acercar un cuerpo electrizado a un conductor, unaparte de este se carga positivamente y la otra negativamente. En la pocade Faraday, a este efecto se le daba el nombre de induccin. Tal vez poranaloga con esto se pregunt: Podr una bobina con corriente, inducircorriente en otra colocada prxima a ella?

A fin de responder esta pregunta, Faraday prepar dos bobinas, unaenrollada entre la otra. Gener una corriente en una de ellas empleandocien pilas de Volta, e intent detectar corriente en la otra, por medio de unaespecie de ampermetro. Despus de mltiples esfuerzos, el 29 de agostode 1831, hall que cuando abra o cerraba el circuito de la primera bobina,se produca una corriente momentnea en la otra. Mediante sus experimen-tos, Faraday estableci que una corriente constante no induce corriente enotra bobina, que esto solo lo hace una corriente variable.

A 3.26 Esclarece el significado con que se emplea el trmino inducir en la vidacotidiana y su relacin con la interpretacin que se le da en la fsica.

A 3.27 Dibuja un esquema del circuito correspondiente al experimento realizado porFaraday que se describe en el prrafo anterior.

En la figura 3.8 se muestra el esquema de una instalacin para realizaruna versin moderna del experimento de Faraday. Las bobinas (1 y 2) secolocan una frente a la otra y en el interior de ellas se introduce un ncleode hierro N.

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Luego de su descubrimiento inicial, Faraday supuso que al acercar oalejar entre s dos bobinas, por una de las cuales fluye corriente elctrica,se inducira una corriente en la otra, y comprob esta idea en la prctica.

A 3.28 En qu pudo haberse basado la suposicin de Faraday, de que al acercar oalejar entre s dos bobinas se producira el mismo efecto que al abrir o cerrar el inte-rruptor en su experimento inicial (fig. 3.8)?

A 3.29 Planifica y realiza un experimento para comprobar la suposicin del prrafo anterior.

Alrededor de mes y medio despus de su primer descubrimiento,Faraday encontr que al acercar o alejar entre s un imn y una bobinatambin se induce corriente en esta (fig. 3.9).

Fig. 3.8 Versin del experimento de Faraday sobre la induccin electromagntica: Alcerrar o abrir el interruptor K el ampermetro registra una corriente transitoria.

A 3.30 Por qu, tras los experimentos realizados con bobinas, caba esperar que alacercar o alejar entre s un imn y una bobina, se indujera corriente en esta?

A 3.31 Examina nuevamente los experimentos realizados por Faraday. Qu tienen encomn?

De los experimentos anteriores deriva la siguiente conclusin, deno-minada ley de induccin de Faraday:

Cuando cambia la cantidad de campo magntico (el nmero de lneasdel campo) que atraviesa el rea limitada por un conductor cerrado (espira),

Fig. 3.9 El ampermetro tambin re-gistra una corriente transitoria cuan-do existe un movimiento relativoentre el imn y la bobina.

1Movimiento

A

12

K A

N

80

surge en este una corriente elctrica. Mientras mayor sea la rapidez con quevara la cantidad de campo magntico, mayor ser la intensidad de la co-rriente inducida.

Para que se produzca una corriente se requiere un campo elctrico queacte sobre las partculas cargadas. Por eso, es de suponer que la corrienteinducida aparece en el conductor debido a un campo elctrico y que este es,a su vez, originado por las variaciones del campo magntico. Hoy se cono-ce que un campo magntico variable origina un campo elctrico a su alre-dedor, haya o no una espira o bobina situada en dicho campo. Entre los queargumentaron esta idea sobresale el fsico britnico James Clerk Maxwell(1831- 1879), quien hizo notables contribuciones a la teora electromagn-tica. Este campo elctrico no se debe al exceso de partculas cargadas en unlugar respecto a otro, como ocurre durante las experiencias de electrizacino al conectar una pila a un conductor. Sin embargo, dicho campo acta delmismo modo sobre las partculas cargadas de los conductores.

A 3.32 Resume los dos modos de generar una corriente elctrica que hemos estudiado.

Los experimentos de Faraday constituyen una respuesta afirmativa ala pregunta planteada al inicio de este epgrafe. Ellos confirman que esrecproca no solo la relacin de la corriente elctrica con los fenmenostrmicos, luminosos y qumicos, sino tambin con los fenmenos magnti-cos. Entre la electricidad y el magnetismo existe una estrecha conexin.

3.3.2 Utilizacin prctica de la induccin electromagntica

La ley de induccin de Faraday constituye la base sobre la que se apoyael funcionamiento de numerosos dispositivos y procesos: generadores elc-tricos, transformadores, hornos de induccin, guitarra elctrica, lectura decintas y discos magnticos mediante cabezales, etc. En este listado sobresa-len, por su importancia a escala de toda la sociedad, los generadores de in-duccin y los transformadores, utilizados para producir y transmitir la mayorparte de la energa elctrica que consumimos. A continuacin describimos,muy simplificadamente, el principio de funcionamiento de ellos.

Generador de induccin

Una de las formas ms convenientes de variar la cantidad de campomagntico que atraviesa una bobina, a fin de producir una corriente elctrica

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inducida, es ponerla a rotar en dicho campo (fig. 3.10). El funcionamientode los generadores de induccin se basa en esta idea. As, por ejemplo, unadinamo de bicicleta consiste en una bobina enrollada en forma rectangularalrededor de un material ferromagntico. La bobina est situada en el campomagntico de un imn permanente, de modo que al girar, vara la cantidadde dicho campo que la atraviesa. La potencia de la dinamo (la rapidez conque transforma energa mecnica en elctrica) depende de la intensidad delcampo magntico y de la rapidez con que giran sus espiras.

En las plantas termoelctricas, hidroelctricas y elicas, as como enlas empleadas para emergencias en hospitales y otras instalaciones, el prin-cipio bsico utilizado es el de la dinamo: transformar energa mecnica enelctrica haciendo rotar en un campo magntico una armadura que contieneespiras.

Fig. 3.10 Principio del funcionamiento de una dinamo.

A 3.33 Describe las transformaciones de energa que tienen lugar en la dinamo debicicleta durante el funcionamiento de esta.

A 3.34 Describe las transformaciones de energa que tienen lugar en los generadores deinduccin de las plantas: a) hidroelctricas, b) termoelctricas, c) elicas.

Transformador

Un transformador simple consiste en dos bobinas, de diferente nmerode espiras, enrolladas alrededor de un ncleo de hierro. En la figu-ra 3.11a se muestra su dibujo esquemtico y en la 3.11b su smbolo. Lacorriente elctrica variable en una de las bobinas del transformador (en-trada o primario), origina un campo magntico variable en su ncleo.En consecuencia, el nmero de lneas de campo magntico que atraviesa laotra bobina (salida o secundario) cambia con el tiempo, debido a locual se induce en ella una corriente.

50

5

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A 3.35 Podran los transformadores funcionar con corriente directa? Argumenta res-puesta.

Si la bobina de entrada tiene menor nmero de espiras que la de sali-da, como es el caso de la figura 3.11a, el transformador produce una eleva-cin del voltaje (transformador elevador). Este es el tipo de transformadorutilizado, por ejemplo, cuando se necesita elevar el voltaje de 110 a 220 V.Si, a la inversa, la bobina de entrada tiene mayor nmero de espiras que lade salida, entonces el transformador produce una disminucin del voltaje(transformador reductor). En los radios, grabadoras, computadoras,impresoras y otros equipos, se emplean transformadores reductores, ya quesus circuitos trabajan con voltajes mucho menores de 110 V. Las fuentes deelectricidad utilizadas en los laboratorios escolares tambin tienen un trans-formador que disminuye el voltaje. Su entrada se conecta a 110 V, y seextraen salidas de diferentes voltajes, frecuentemente entre 0 y 12 V.

A 3.36 Monta un modelo de transformador y hazlo funcionar, primero para elevar elvoltaje y luego para disminuirlo. Mide los voltajes con ayuda de un voltmetro.

Los transformadores transmiten energa elctrica de su entrada a lasalida y en este proceso, naturalmente, se produce cierta disipacin de ener-ga. Sin embargo, si las prdidas son pequeas, entonces podemos suponerque la cantidad de energa que llega al transformador por unidad de tiempoy la que sale de l, son iguales. Es posible calcular esta energa, tanto a laentrada como a la salida, por medio de la conocida ecuacin P = UI. Por

Fig. 3.11 a) Esquema de un transformador. b) Smbolo del transformador.

a

b

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tanto, lo dicho anteriormente puede ser descrito mediante ecuaciones delmodo siguiente: Pe = Ps, es decir. UeIe = UsI s. Esto significa que en losterminales del transformador en que el voltaje sea menor, la intensidad decorriente ser mayor, y a la inversa, donde el voltaje sea mayor la intensi-dad de corriente ser menor.

A 3.37 Menciona posibles causas de las prdidas de energa en los transformadores.

En las centrales elctricas se utilizan transformadores elevadores,con lo cual se reduce la intensidad de la corriente. Esto tiene el propsitode disminuir las prdidas de energa por calentamiento de los cables du-rante la transmisin de la energa elctrica a grandes distancias. Por su-puesto, antes de distribuir la energa elctrica para su consumo, es nece-sario disminuir nuevamente su voltaje por medio de transformadoresreductores.

A 3.38 Realiza un esquema con las etapas de generacin, transmisin y consumo deenerga elctrica en una red nacional, en el cual aparezcan los transformadores.

3.3.3 Ondas electromagnticas

En el captulo anterior vimos que si se tienen dos cuerpos electriza-dos que interactan entre s, situados a cierta distancia uno del otro, ymovemos uno de ellos, dicho movimiento se refleja con gran rapidez enel segundo, aunque no instantneamente. Algo parecido es lo que ocu-rre en las antenas transmisoras y receptoras de radio y televisin. En laantena transmisora se hace que los electrones oscilen con determinafrecuencia y, al cabo de determinado tiempo, estas oscilaciones se repi-ten en la antena receptora. Describamos, esquemticamente, el procesoque tiene lugar.

A 3.39 Imagina dos cuerpos electrizados que interactan entre s situados a cierta dis-tancia uno del otro. Por qu solemos pensar que el movimiento de uno de ellos serefleja en el otro instantneamente? Describe hechos que ponga de manifiesto que lasseales emitidas por una antena requieren cierto tiempo para llegar hasta la antenareceptora.

Para que los electrones oscilen en la antena transmisora se requiere uncampo elctrico oscilatorio. Por otra parte, las oscilaciones de corriente elc-trica representadas por este movimiento de electrones, producen a su alrede-dor un campo magntico oscilatorio. De acuerdo con la ley de induccin de

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Faraday, este campo genera, a su vez, un campo elctrico igualmenteoscilatorio. El proceso completo podemos sintetizarlo del siguiente modo:

Campo elctrico oscilatorio Campo magntico oscilatorio Campoelctrico oscilatorio.

A 3.40 Recuerda algunos hechos que apoyen las siguientes ideas: a) para que aparezcay se mantenga una corriente elctrica se requiere de un campo elctrico, b) una corrien-te elctrica tiene asociado un campo magntico, c) las variaciones de campo magnticooriginan un campo elctrico.

Resulta que la sucesin anterior se repite continuamente a travs delespacio. Las oscilaciones de los campos elctrico y magntico se propagana travs de l y constituyen, pues, una onda.

Las oscilaciones de campo elctrico que llegan a la antena receptora, aun-que por supuesto con una amplitud atenuada, actan sobre sus electrones, ha-ciendo que oscilen con la misma frecuencia que los de la antena transmisora.

A 3.41 Menciona algunas razones por las que la amplitud de las ondas generadas enuna antena transmisora de radio o televisin se atenen durante su propagacin.

Se denomina onda electromagntica a la propagacin de las oscila-ciones de los campos elctricos y magnticos. La velocidad de dicha pro-pagacin en el aire es aproximadamente 300 000 km/s, en otros medios,por ejemplo en el agua, es menor, pero de todos modos muy grande.

Las ondas electromagnticas se clasifican en varios tipos, atendiendoa determinados rangos de sus frecuencias. As, en orden creciente de fre-cuencia tenemos: las ondas de radio habituales, de baja y alta frecuencia;las ondas de FM y de televisin; las microondas; la radiacin infrarroja; laluz visible; la radiacin ultravioleta; los rayos X; los rayos gamma. Estagama de ondas electromagnticas constituye lo que se conoce con el nom-bre de espectro de las ondas electromagnticas.

Muchas veces se considera, incorrectamente, que ondas electromag-nticas como las de radio y televisin, la luz, los rayos X y otras, tienendistinta naturaleza. Esto se debe, en parte, a que, como vimos en el primercaptulo, los efectos de la interaccin de las ondas con el medio y los sereshumanos, pueden diferenciarse grandemente atendiendo no solo a la natu-raleza de las ondas, sino tambin a su frecuencia.

A 3.42 Describe algunos efectos provocados por ondas electromagnticas de distintasfrecuencias.

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Hasta alrededor de 1880, las nicas ondas electromagnticas de lasque el hombre tena conciencia eran la luz visible, la infrarroja y laultravioleta. En esa dcada Heinrich Hertz produjo las ondas que hoy de-nominamos ondas de radio. Los rayos X fueron descubiertos en 1895, losrayos gamma se detectaron por primera vez como emisiones de sustanciasradioactivas naturales (uranio, radio, etctera).

3.4 Actividades de sistematizacin y consolidacin

1. Confecciona un listado de los conceptos e ideas esenciales estudiadosen este captulo.

2. Elabora un esquema o cuadro sinptico que refleje las relaciones entrelos conceptos e ideas esenciales estudiados.

3. Responde, resumidamente, las preguntas planteadas en la introduccin.En cules sera de inters profundizar? Plantea nuevas cuestiones deinters.

4. Qu transformaciones de energa tienen lugar durante la magnetizacinde un cuerpo ferromagntico que se ha introducido en una bobina concorriente?

5. Explica desde el punto de vista microscpico, por qu la magnetizaciny la desmagnetizacin se facilitan al golpear los cuerpos.

6. Los cuerpos magnetizados se desmagnetizan al calentarlos hasta eleva-das temperaturas. Explica por qu.

7. Construye un modelo de motor. Consigue un alambre con barnizaislante de unos 0,5 mm de dimetro y 1,5 m de largo. Forma unasdiez espiras, enrollando el alambre, por ejemplo, alrededor de unapila de linterna. Usa los extremos libres del alambre para sujetar lasespiras entre s y para preparar una especie de eje alrededor del cualpueda rotar el conjunto (fig. 3.12). Aplasta las espiras para darle unaforma prxima a la rectangular. Apoya uno de los extremos del alam-bre sobre una mesa y mediante una cuchilla retira el barniz, dejandodescubierta solo una zona semicilndrica. Repite la misma operacincon el otro extremo del alambre, pero cuidando que la zonasemicilndrica desprovista de barniz sea ahora la opuesta. Puedes sus-pender el conjunto haciendo pasar los extremos del alambre (el eje) atravs de unos orificios practicados en unas lminas metlicas fijas auna base de madera. Utiliza una pila y un imn para hacer funcionarel motor.

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9. Analiza el principio de funcionamiento de los ampermetros yvoltmetros analgicos (de aguja).

10. Podran utilizarse la bocina electrodinmica y el audfono en calidadde micrfonos?

11. En el experimento de Faraday, cuya versin moderna describimos enla figura 3.8, la corriente inducida era dbil y el ampermetro utiliza-do no era suficientemente sensible. Se le ocurri entonces la idea desustituir el ampermetro por una pequea bobina en la que introdujo

Fig. 3.12 Motor de construccin casera.

8. En la figura 3.13 est representado el esquema de un timbre elctricode corriente directa. El voltaje se aplica entre los puntos A y B. Descri-be su funcionamiento.

Fig. 3.13 Actividad 8.

A B

R

L

E

C

MP

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una aguja ferromagntica. Cmo le servira esto a Faraday para de-tectar la breve corriente elctrica que apareca en la segunda bobina?

12. Cmo se explica, teniendo en cuenta la ley de induccin de Faraday,el aumento de la intensidad luminosa del bombillo de una bicicleta alincrementar la velocidad?

13. Con qu propsito se enrollan las bobinas de los generadores de in-duccin alrededor de materiales ferromagnticos?

14. El esquema del motor representado en la figura 3.6 se asemeja al deuna dinamo. Pudiera ser utilizado semejante motor como una dina-mo? Argumenta tu respuesta.

15. Si dispones de algn dinamo de bicicleta en desuso, desrmalo e iden-tifica las diferentes partes de que est compuesto.

16. Qu relacin hay entre el funcionamiento de un transformador y eldescubrimiento realizado por Faraday el 29 de agosto del ao 1831?

17. Si observas el ncleo de un transformador comn, vers que est for-mado por una serie de lminas. Ellas estn aisladas elctricamente en-tre s mediante un barniz no conductor. Por qu se construirn de esemodo los ncleos de los transformadores?

18. Indaga acerca del funcionamiento de la guitarra elctrica.19. Profundiza en el funcionamiento de los cabezales de grabado y lectura

de cintas y discos magnticos.20. Reflexiona acerca de la importancia de las ondas electromagnticas en

el universo y, en especial, para los seres humanos