Campos magnéticos para dummies

Siguiendo nuestro peculiar curso de introducción a la electricidad y la electrónica hoy vamos a tratar de la manera más sencilla posible como se establece la relación entre la corriente eléctrica y la generación de un campo magnético.

Antes que nada queremos dejar claro que este artículo así como el anterior no es estrictamente necesario para ayudaros en la mayoría de técnicas para reparar vuestros aparatos a un nivel básico, pero estos son principios esenciales que no podemos dejar pasar y que a la larga os ayudarán a comprender mejor la electricidad, la electrónica y todo lo que iremos aprendiendo.

Como ya os explicamos en el anterior artículo siempre que hay un flujo de corriente, existe un campo magnético en torno al conductor y la dirección del campo dependerá del sentido de la corriente eléctrica.

Así que hoy vamos a tratar de explicaros este principio con la suficiente profundidad como para que os sea útil y comprensible, ya que la importancia de los campos magnéticos es fundamental y debemos tener claros al menos unos principios, pues todos los aparatos que nos rodean generan, aprovechan, emplean o se ven afectados por estos campos electromagnéticos.

Sencillamente vivimos rodeados por ellos, siempre hablamos de los campos electromagnéticos generados por los teléfonos móviles ¿Os acordáis de la polémica sobre si su radiación es dañina? resulta que vivimos absolutamente rodeados de campos electromagnéticos de todo tipo, generados por infinidad de aparatos y estructuras eléctricas, cualquier cable, iluminación o lavadora genera también campos electromagnéticos por el hecho de fluir la corriente.

Estos campos se deben generar de manera que no afecten a las instalaciones eléctricas, de una forma negativa al transporte o consumo de energía, así como al funcionamiento de un aparato o a los de su alrededor e impedir que puedan causar daño.

Como se genera un campo electromagnético, reglas

Como comentamos al final del último artículo, si deseamos crear un campo electromagnético solo tenemos que coger un trozo de material conductor (un alambre de cobre por ejemplo) y hacer pasar la corriente eléctrica.

Pero si se queremos aumentar la potencia del campo magnético que hemos creado lo enrollaremos en espiras formando una bobina, así que los campos individuales de cada vuelta estarán en serie, formando un fuerte campo magnético dentro y fuera de la bobina. De este modo la bobina actuará como una barra imantada poderosa, cuyo polo norte sería el extremo desde el cual salgan las líneas de fuerza.

Según agregamos más vueltas a una bobina, se aumentará el número de líneas de fuerza, haciendo que actúe como un imán más fuerte. El aumento de la corriente también reforzará el campo magnético. Así que si queremos conseguir un electroimán muy potente, habrá que construirlo con muchas vueltas y que transporte toda la corriente que permita la sección de dicho alambre.

Sabiendo esto, la ley de Oersted-Ampere establece que un conductor que lleva una corriente eléctrica produce un campo magnético alrededor de él, relacionando una cualidad eléctrica (corriente) con una cualidad magnética (campo magnético).

La intensidad o fuerza del campo magnético (Ф) que generamos al hacer pasar una corriente eléctrica varía en forma directamente proporcional con la magnitud de esta corriente, es decir, a mayor corriente eléctrica (I), mayor intensidad del campo magnético (Ф).

Relación corriente-intensidad del flujo magnético.

La intensidad del campo magnético que generamos también variará inversamente con la distancia (D), como vemos en la imagen. Eso significa que a mayor distancia del conductor al campo magnético, la intensidad del campo es menor.

Relación distancia-intensidad de flujo magnético.

Polaridad del campo magnético: “Regla de la Mano Derecha”

El sentido del campo magnético que generamos al hacer circular una corriente eléctrica depende del sentido de esta corriente (I), si invertimos el sentido de la corriente, invertimos la polaridad del campo, como vemos en la siguiente imagen.

Relación entre sentido de la corriente y sentido del flujo magnético.

La “Regla de la Mano Derecha” nos permite determinar el sentido del campo magnético, esta regla nos enseña que al colocar el dedo pulgar de la mano derecha en la dirección de la corriente eléctrica, (recordad que los electrones viajan del polo negativo al positivo) el sentido en que se enrollan los demás dedos indicará el sentido del campo magnético.

Ejemplo de uso de la “Regla de la Mano Derecha”, en este caso el polo negativo se encuentra abajo y el positivo arriba (digamos que la corriente en este caso circula en dirección de abajo > arriba).

Campo Magnético en una Espira y en una Bobina

Como ya os hemos comentado los materiales conductores de la electricidad, se pueden agrupar formando bobinas en forma de espiras (es común el uso de hilo o alambre de cobre, formando esas características bobinas de diversas formas y tamaños que tantas veces hemos visto).

Así pues, un caso de particular interés para nosotros es el campo magnético que se produce al circular corriente a través de una espira.

Primero, observemos una espira como la que se muestra en la figura de abajo. Si le aplicamos una corriente que circule del extremo inferior al superior, se producirá un campo magnético cuyo sentido estará definido por la regla de la mano derecha, produciéndose en la espira un campo magnético con un polo norte (N) y otro sur (S).

En la imagen podemos observar las características de un campo magnético producido por una sola espira según la dirección de la corriente.

Pues bien, una bobina está formada por el agrupamiento de varias de estas espiras, por lo que el campo magnético de una bobina será igual a la suma de los campos magnéticos que produce cada una de estas espiras.

Como todas las espiras estarán conectadas en serie, a través de cada una de ellas estará fluyendo la misma corriente, por lo que la intensidad del campo que se producirá en la bobina será la suma del campo magnético producido por cada espira.

En la imagen podemos ver el campo magnético producido por una bobina que consta de varias espiras iguales enrolladas una tras otra, por lo que el campo magnético de esta bobina será igual a la suma de los campos magnéticos que produce cada una de sus espiras.

Reluctancia Magnética

Ahora vamos a observar la oposición al flujo magnético que presentan los materiales, a esto se le denomina reluctancia. (Ya os lo comentamos de refilón en el anterior artículo).

Mientras menor sea la reluctancia que presenta un material, mayor será el flujo magnético que se genere.

En la imagen inferior se muestra la comparación del campo magnético producido por una bobina con núcleo de aire (o sea, sin un núcleo físico, tan solo el aire que nos rodea) y el campo magnético producido por una bobina de núcleo de hierro (considerando que ambas bobinas tienen el mismo número de espiras y circula la misma cantidad de corriente).

En la imagen vemos un esquema donde se compara el efecto del núcleo en el campo magnético producido por uno de hierro y otro de aire.

Como vemos, en el caso del núcleo de hierro se tiene una mayor intensidad de campo magnético porque que el hierro presenta una menor oposición a las líneas de flujo magnético que el aire.

Aplicando corriente alterna a una bobina

Todo lo que hemos explicado hasta ahora hacer referencia a la corriente continua, es decir corriente eléctrica que circula en un solo sentido, pero ¿qué ocurre cuando aplicamos corriente alterna AC, (la que usamos habitualmente en nuestros hogares) es decir cuando hacemos circular la corriente eléctrica en ambos sentidos?

Pues si la bobina es alimentada con una corriente de magnitud variable (corriente alterna), la bobina generará un campo magnético variable tanto en magnitud como en polaridad y se podrá observar cómo cambian los sentidos en el campo electromagnético, a un ritmo igual a la frecuencia de la corriente alterna que apliquemos.

Si por ejemplo esta es la habitual de 50Hz, significa que el campo magnético variará 50 veces por segundo.

En la imagen se puede observar cómo cambia el sentido del campo, según varia la corriente alterna, representa gráficamente como una onda sinusoidal constante.

Ley de Inducción de Faraday

Para finalizar esta introducción sencilla a los campos electromagnéticos vamos a explicaros este importante principio físico que permite ayudar a entender muchos de los fenómenos relacionados con la electricidad y el uso o construcción de las máquinas que emplean electricidad.

Esta ley nos dice que si se tiene un conductor en un campo magnético variable, éste produce un voltaje y que este voltaje, no dependerá de la magnitud del campo magnético, sino de la razón con que cambia.

Por tanto una rápida variación del flujo magnético producirá un voltaje inducido alto. O sea, cuanto más rápida sea la variación del flujo magnético mal alto será el voltaje que obtengamos de la bobina.

En la imagen superior podemos observar dos bobinas, una de ellas conectada a un corriente alterna (variable) y la otra a un voltímetro para observar la variación del voltaje inducido por la primera. En un primer instante, si existe un campo magnético fijo no se inducirá ningún voltaje, pero a medida el campo magnético comienza a crecer (expandirse) aumentará el voltaje, a continuación, según la corriente vaya decreciendo para cambiar de polaridad, el campo magnético irá decreciendo, para según cambie a su fase contraria irá de nuevo creciendo pero en sentido opuesto, hasta alcanzar su valor máximo volver a decrecer de nuevo e iniciar el ciclo otra vez en el sentido inicial.

También se inducirá un voltaje si en lugar de un conductor se tiene una espira en el campo magnético variable. Ante variaciones del campo magnético, se inducirá un voltaje.

Si se tienen varias espiras conectadas en serie (una bobina) dentro de un campo magnético variable, el voltaje inducido en la bobina será la suma de los voltajes inducidos en cada espira. Así, a mayor número de espiras, el voltaje inducido será mayor.

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