¿Necesitas clasificar un poco de chatarra? ¡Electroimanes al rescate! Aquí, se utiliza un electroimán para recoger algunos de los aproximadamente 3, 500 armas confiscadas para fundir. Imágenes de David McNew / Getty ¿Qué hace un patio de demolición, ¿Qué tienen en común un concierto de rock y tu puerta de entrada? Cada uno usa electroimanes , dispositivos que crean un campo magnético mediante la aplicación de electricidad. Los astilleros de demolición emplean electroimanes extremadamente poderosos para mover piezas pesadas de chatarra o incluso automóviles enteros de un lugar a otro. Tu banda favorita usa electroimanes para amplificar el sonido que sale de sus parlantes. Y cuando alguien toca el timbre de tu puerta, un pequeño electroimán empuja un badajo de metal contra una campana.
Mecánicamente, un electroimán es bastante simple. Consiste en una longitud de cable conductor, generalmente cobre, envuelto alrededor de una pieza de metal. Como el monstruo de Frankenstein esto parece poco más que una colección suelta de piezas hasta que la electricidad entra en escena. Pero no es necesario esperar a que una tormenta le dé vida a un electroimán. Se introduce una corriente, ya sea de una batería u otra fuente de electricidad, y fluye a través del alambre. Esto crea un campo magnético alrededor del cable enrollado, magnetizando el metal como si fuera un imán permanente. Los electroimanes son útiles porque puede encender y apagar el imán completando o interrumpiendo el circuito, respectivamente.
Antes de que vayamos mucho más lejos deberíamos discutir en qué se diferencian los electroimanes de los imanes "permanentes" comunes y corrientes, como los que sostienen su arte de paleta en el refrigerador. Como tú sabes, los imanes tienen dos polos, "norte y sur, "y atraer cosas de acero, hierro o alguna combinación de los mismos. Como los polos se repelen y los opuestos se atraen (ah, la intersección del romance y la física). Por ejemplo, si tiene dos imanes de barra con sus extremos marcados "norte" y "sur", "el extremo norte de un imán atraerá el extremo sur del otro. Por otro lado, el extremo norte de un imán repelerá el extremo norte del otro (y de manera similar, el sur repelerá al sur). Un electroimán es de la misma manera, excepto que es "temporal":el campo magnético solo existe cuando fluye corriente eléctrica.
El timbre es un buen ejemplo de cómo los electroimanes se pueden usar en aplicaciones donde los imanes permanentes simplemente no tendrían ningún sentido. Cuando un invitado presiona el botón de la puerta de entrada, el circuito electrónico dentro del timbre cierra un bucle eléctrico, lo que significa que el circuito está completo y "encendido". El circuito cerrado permite que fluya la electricidad, creando un campo magnético y haciendo que el badajo se magnetice. El hardware de la mayoría de los timbres tradicionales consiste en una campana de metal y un badajo de metal que, cuando la atracción magnética los hace chocar juntos, escuchas el timbre en el interior. La campana suena, el invitado suelta el botón, el circuito se abre y el timbre deja de sonar infernalmente. Este magnetismo bajo demanda es lo que hace que el electroimán sea tan útil.
En este articulo, Echaremos un vistazo más de cerca a los electroimanes y descubriremos cómo estos dispositivos toman algo de ciencia genial y la aplican a los artilugios que nos rodean que nos hacen la vida más fácil.
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El gran electroimán de herradura utilizado por el físico y químico inglés Michael Faraday, alrededor de 1830. Stringer / Hulton Archive / Getty Images La relación entre la electricidad y el magnetismo no se estudió a fondo hasta 1873 cuando el físico James Maxwell observó la interacción entre cargas eléctricas positivas y negativas [fuente:Mahon]. A través de la experimentación continua, Maxwell determinó que estas cargas se atraen o se repelen entre sí en función de su orientación. También fue el primero en descubrir que los imanes tienen polos, o puntos individuales donde se enfoca la carga. Y, importante para el electromagnetismo, Maxwell observó que cuando una corriente pasa a través de un cable, genera un campo magnético alrededor del cable.
El trabajo de Maxwell fue responsable de muchos de los principios científicos en funcionamiento, pero no fue el primer científico en experimentar con la electricidad y el magnetismo. Casi 50 años antes, Hans Christian Oersted descubrió que una brújula que estaba usando reaccionaba cuando se encendía y apagaba una batería de su laboratorio [fuente:Gregory]. Esto solo sucedería si hubiera un campo magnético presente que interfiriera con la aguja de la brújula, por lo que dedujo que se generó un campo magnético a partir de la electricidad que fluía de la batería. Pero Oersted gravitó hacia el campo de la química y dejó la investigación de la electricidad y el magnetismo a otros [fuente:Mahon].
El abuelo del electromagnetismo es Michael Faraday , un químico y físico que diseñó muchas de las teorías que luego construyó Maxwell. Una de las razones por las que Faraday es mucho más prominente en la historia que Maxwell u Oersted probablemente se deba a que es un investigador e inventor tan prolífico. Es ampliamente reconocido como un pionero en electromagnetismo, pero también se le atribuye el descubrimiento de la inducción electromagnética, que discutiremos más adelante cuando exploremos algunas aplicaciones del mundo real. Faraday también inventó el motor eléctrico, y además de su influyente trabajo en física, también fue la primera persona en ser nombrada el prestigioso puesto de Profesor Fulleriano de Química en la Real Institución de Gran Bretaña. No está nada mal.
Entonces, ¿qué descubrió el trabajo de estos hombres? En la siguiente sección, veremos cómo funcionan los electroimanes.
Este diagrama muestra un electroimán simple. Como funcionan las cosas Como mencionamos en la introducción, los electroimanes básicos no son tan complicados; usted mismo puede construir uno simple usando materiales que probablemente tenga en la casa. Un cable conductor cobre generalmente aislado, se enrolla alrededor de una varilla de metal. El cable se calentará al tacto, por lo que el aislamiento es importante. La varilla en la que se envuelve el alambre se llama solenoide , y el campo magnético resultante se irradia desde este punto. La fuerza del imán está directamente relacionada con el número de veces que el alambre se enrolla alrededor de la varilla. Para un campo magnético más fuerte, el cable debe estar más apretado.
OK, hay un poco más que eso. Cuanto más apretado esté el alambre alrededor de la varilla, o núcleo, cuantos más bucles hace la corriente a su alrededor, aumentando la fuerza del campo magnético. Además de cuán apretado está enrollado el cable, el material utilizado para el núcleo también puede controlar la fuerza del imán. Por ejemplo, el hierro es un ferromagnético metal, lo que significa que es altamente permeable [fuente:Universidad de Boston]. Permeabilidad es otra forma de describir qué tan bien el material puede soportar un campo magnético. Cuanto más conductivo sea un determinado material a un campo magnético, cuanto mayor sea su permeabilidad.
Todo importa, incluida la barra de hierro de un electroimán, está compuesto de átomos. Antes de que se electrifique el solenoide, los átomos en el núcleo de metal están dispuestos al azar, no apunta en ninguna dirección en particular. Cuando se introduce la corriente, el campo magnético penetra en la barra y realinea los átomos. Con estos átomos en movimiento, y todo en la misma dirección, el campo magnético crece. La alineación de los átomos, pequeñas regiones de átomos magnetizados llamadas dominios , aumenta y disminuye con el nivel de corriente, así, controlando el flujo de electricidad, puedes controlar la fuerza del imán. Llega un punto de saturación cuando todos los dominios están alineados, lo que significa que agregar corriente adicional no dará como resultado un aumento del magnetismo.
Controlando la corriente, básicamente, puede encender y apagar el imán. Cuando se apaga la corriente, los átomos vuelven a su estado natural, estado aleatorio y la varilla pierde su magnetismo (técnicamente, conserva algunas propiedades magnéticas pero no muchas y no por mucho tiempo).
Con un imán permanente común y corriente, como los que sostienen la foto del perro de la familia en el refrigerador, los átomos siempre están alineados y la fuerza del imán es constante. ¿Sabías que puedes quitar el poder de adherencia de un imán permanente dejándolo caer? En realidad, el impacto puede provocar que los átomos se desalineen. Se pueden magnetizar de nuevo frotando un imán sobre él.
La electricidad para alimentar un electroimán tiene que provenir de algún lugar, ¿Derecha? En la siguiente sección, Exploraremos algunas de las formas en que estos imanes obtienen su jugo.
Así es como se ven los campos magnéticos en un electroimán básico. Hemera / Thinkstock Dado que se requiere una corriente eléctrica para operar un electroimán, ¿De dónde viene? La respuesta rápida es que cualquier cosa que produzca una corriente puede alimentar un electroimán. Desde las pequeñas pilas AA que se utilizan en el control remoto de su televisor hasta las grandes, centrales eléctricas industriales que extraen electricidad directamente de una red, si almacena y transfiere electrones, entonces puede alimentar un electroimán.
Comencemos con un vistazo a cómo funcionan las baterías domésticas. La mayoría de las baterías tienen dos polos fácilmente identificables, una positiva y una negativa. Cuando la batería no está en uso, los electrones se acumulan en el polo negativo. Cuando las baterías se insertan en un dispositivo, los dos polos entran en contacto con los sensores del dispositivo, cerrando el circuito y permitiendo que los electrones fluyan libremente entre los polos. En el caso de su control remoto, el dispositivo está diseñado con un carga , o punto de salida, para la energía almacenada en la batería [fuente:Grossman]. La carga utiliza la energía para utilizar el mando a distancia. Si simplemente conectara un cable directamente a cada extremo de una batería sin carga, la energía se agotaría rápidamente de la batería.
Mientras esto sucede, los electrones en movimiento también crean un campo magnético. Si quita las baterías de su control remoto, probablemente retendrá una pequeña carga magnética. No podías levantar un auto con tu control remoto pero tal vez unas pequeñas limaduras de hierro o incluso un clip.
En el otro extremo del espectro está la propia Tierra. Por la definición que discutimos anteriormente, un electroimán se crea cuando las corrientes eléctricas fluyen alrededor de algún núcleo ferromagnético. El núcleo de la Tierra es de hierro, y sabemos que tiene un polo norte y un polo sur. Estas no son solo designaciones geográficas, sino polos magnéticos opuestos reales. El efecto dínamo , un fenómeno que crea corrientes eléctricas masivas en el hierro gracias al movimiento del hierro líquido a través del núcleo exterior, crea una corriente eléctrica. Esta corriente genera una carga magnética, y este magnetismo natural de la Tierra es lo que hace que una brújula funcione. Una brújula siempre apunta hacia el norte porque la aguja de metal se siente atraída por el tirón del Polo Norte.
Claramente, hay una amplia gama de aplicaciones de electroimán entre pequeñas, experimentos científicos caseros y la Tierra misma. Entonces, ¿Dónde aparecen estos dispositivos en el mundo real? En la siguiente sección, Veremos cómo el electromagnetismo afecta nuestra vida cotidiana.
El electroimán del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) tiene la forma de una mandíbula gigantesca. Consiste en dos bobinas de 27 toneladas (24 toneladas métricas), instalado en un 1, 450 toneladas (1, 315 toneladas métricas) de nalgas. Francis DEMANGE / Getty Images Muchos electroimanes tienen una ventaja sobre los imanes permanentes porque se pueden encender y apagar fácilmente, y aumentar o disminuir la cantidad de electricidad que fluye alrededor del núcleo puede controlar su fuerza.
La tecnología moderna se basa en gran medida en electroimanes para almacenar información mediante dispositivos de grabación magnéticos. Cuando guarda datos en un disco duro de computadora tradicional, por ejemplo, diminuto, Las piezas de metal magnetizadas se incrustan en un disco en un patrón específico para la información guardada. Estos datos comenzaron su vida como un lenguaje informático digital binario (0 y 1). Cuando recupera esta información, el patrón se convierte en el patrón binario original y se traduce a una forma utilizable. Entonces, ¿qué hace que esto sea un electroimán? La corriente que atraviesa los circuitos de la computadora magnetiza esos pequeños trozos de metal. Este es el mismo principio que se usa en las grabadoras de cinta, Videograbadoras y otros medios basados en cinta (y sí, algunos de ustedes todavía poseen grabadoras y videograbadoras). Esta es la razón por la que los imanes a veces pueden causar estragos en la memoria de estos dispositivos.
Puede usar electromagnetismo todos los días si carga un teléfono o tableta de forma inalámbrica. La plataforma de carga crea un campo magnético. Su teléfono tiene una antena que se sincroniza con el cargador, permitiendo que fluya una corriente. Como puedes imaginar, las bobinas electromagnéticas dentro de dispositivos como estos son pequeñas, pero las bobinas más grandes pueden cargar dispositivos más grandes como los coches eléctricos.
Los electroimanes también allanaron el camino para aprovechar realmente el potencial de la electricidad en primer lugar. En electrodomésticos, el motor se mueve porque la corriente que fluye de su enchufe de pared produce un campo magnético. No es la propia electricidad la que impulsa el motor, pero la carga creada por el imán. La fuerza del imán crea un movimiento de rotación, lo que significa que giran alrededor de un punto fijo, similar a la forma en que un neumático gira alrededor de un eje.
Entonces, ¿Por qué no saltarse este proceso y utilizar la toma de corriente para alimentar el motor en primer lugar? Porque la corriente necesaria para alimentar un aparato es bastante grande. ¿Alguna vez ha notado cómo encender un electrodoméstico grande, como un televisor o una lavadora, a veces puede hacer que las luces de su hogar parpadeen? Esto se debe a que el electrodoméstico consume mucha energía inicialmente, pero esa gran cantidad solo es necesaria para arrancar el motor. Una vez que eso suceda, este ciclo de inducción electromagnética se hace cargo.
De electrodomésticos, nos estamos moviendo hacia una de las maquinarias más complejas jamás construidas para ver cómo se utilizan los electroimanes para descubrir los orígenes del universo. Los aceleradores de partículas son máquinas que impulsan partículas cargadas unas hacia otras a velocidades increíblemente altas para observar qué sucede cuando chocan. Estos haces de partículas subatómicas son muy precisos y controlar su trayectoria es fundamental para que no se desvíen y dañen la maquinaria. Aquí es donde entran los electroimanes. Los imanes se colocan a lo largo de la trayectoria de los haces que chocan, y su magnetismo se utiliza en realidad para controlar su velocidad y trayectoria [fuente:NOVA Teachers].
No es un mal currículum para nuestro amigo el electroimán, ¿eh? Desde algo que puede crear en su garaje hasta operar las herramientas que los científicos e ingenieros están usando para descifrar los orígenes del universo, Los electroimanes tienen un papel muy importante en el mundo que nos rodea.
¿Estás listo para probar tus propios experimentos electromagnéticos? Siga leyendo para conocer algunas ideas divertidas.
Los electroimanes son fáciles de hacer; sólo unas pocas piezas de hardware y una fuente de alimentación le ayudarán a seguir su camino. Primero, necesitará los siguientes elementos:
Una vez que tenga estos elementos, quitar el aislamiento de cada extremo del cable de cobre, lo suficiente para proporcionar una buena conexión con la batería. Envuelva el alambre alrededor de la uña; cuanto más apretado puedas envolverlo, más poderoso será el campo magnético. Finalmente, conecte la batería conectando un extremo del cable al terminal positivo y otro al terminal negativo (no importa qué extremo del cable se empareje con qué terminal). ¡Presto! Un electroimán en funcionamiento [fuente:Jefferson Lab].
¿No puedes tener suficientes experimentos electromagnéticos prácticos? Tenemos algunas ideas más para que pruebes:
Publicado originalmente:1 de abril de 2000
