Electroimán

Electroimán
	tipo de imanes (es)
	Imán

Un electroimán ye un tipu d'imán nel que'l campu magnéticu producir por aciu el fluxu d'una corriente llétrica, sumiendo en cuanto cesa felicidá corriente.^[2] Los electroimanes xeneralmente consisten nun gran númberu de espiras d'alambre, bien próximes ente sigo que crean el campu magnéticu.^[3] Les espiras d'alambre de cutiu endólquense alredor d'un nucleu magnéticu fechu d'un material ferromagnético o ferrimagnético, como'l fierro; el nucleu magnéticu concentra'l fluxu magnético y fai un imán más potente.

Un electroimán simple consiste nuna bobina d'alambre aislláu envolubráu alredor d'un nucleu de fierro. Un nucleu de material ferromagnético, como'l fierro sirve, p'aumentar el campu magnéticu creáu.^[1] La fuercia del campu magnéticu xeneráu ye proporcional a la cantidá de corriente que traviesa los arrollamientos.^[1]

El campu magnéticu producíu por un solenoide (bobina d'alambre). Esti dibuxu amuesa una seición tresversal al traviés del centru de la bobina: les cruces son los alambres nos que la corriente ta moviéndose na páxina; los puntos son los alambres nos que la corriente muévese escontra riba fora de la páxina.

La principal ventaya d'un electroimán sobre un imán permanente, ye que'l campu magnéticu puede camudase de forma rápida por aciu el control de la cantidá de corriente llétrica nel enduvelláu. Sicasí, a diferencia d'un imán permanente que nun precisa d'alimentación, un electroimán rique d'una fonte d'alimentación pa caltener los campos.

Los electroimanes son llargamente usaos como componentes d'otros dispositivos llétricos, como motores, xeneradores, relés, altavoces, discos duros, máquines MRI , preseos científicos y equipos de separación magnética. Los electroimanes tamién s'empleguen na industria pa recoyer y mover oxetos pesaos, como la chatarra de fierro y aceru.^[4]

Historia

L'electroimán de Sturgeon (1824)

Unu de los electroimanes de Henry que podía llevantar cientos de llibres (1830s)

El científicu danés Hans Christian Ørsted afayó en 1820 que les corrientes llétriques crean campos magnéticos. El científicu británicu William Sturgeon inventó l'electroimán en 1824.^[5]^[6] El so primer electroimán foi una pieza de fierro en forma de ferradura que taba envolubrada con un total de 18 arrollamientos d'alambre de cobre desnudu (el cable aislláu nun esistía inda). El fierro taba barnizáu p'aisllalo de los bobinados. Cuando se pasó una corriente al traviés de la bobina, el fierro se magnetizó y atrajó a otres pieces de fierro; cuando la corriente detúvose, perdió la magnetización. Sturgeon amosó la so potencia al consiguir qu'anque namái pesaba siete onza (unos 200 gramos), podía llevantar nueve llibres (aproximao 4 quilos) cuando se-y aplicaba la corriente d'una batería d'una única célula. Sicasí, los electroimanes de Sturgeon yeren débiles por cuenta de que el alambre ensin aisllar qu'utilizaba namái podía ser envolubráu nuna única capa espaciada alredor del nucleu, lo que llindaba'l númberu de vueltes.

A partir de 1830, el científicu d'Estaos Xuníos Joseph Henry ameyoró de manera sistemática y popularizó l'electroimán.^[7]^[8] Usando un alambre con aislamientu de filo de seda inspiráu pol usu que Schweigger fixera del alambre aislláu pa faer un galvanómetru, foi capaz d'endolcar múltiples capes d'alambre nos nucleos, creando poderosos imanes con miles de vueltes d'alambre, ente ellos unu que pudó soportar 2063 llibres (935,76 kg). El principal usu de los electroimanes yera nel telégrafu sounders.

La teoría de dominiu magnéticu de como trabayaben los nucleos ferromagnéticos foi propuestu per primer vegada en 1906 pol físicu francés Pierre Weiss, y la detallada teoría de la mecánica cuántica moderna del ferromagnetismu foi ellaboráu en 1920 por Werner Heisenberg, Lev Landau, Felix Bloch y otros.

Funcionamientu

La bobina que s'atopa nel estátor d'un motor llétricu ye un exemplu d'electroimán.

El material del nucleu del imán (xeneralmente fierro) componer de pequeñes rexones llamaes dominios magnéticos qu'actúen como pequeños imanes. Primero que la corriente nel electroimán actívase, los dominios nel nucleu de fierro tán en direiciones al azar, polo que los sos campos magnéticos pequeños anular ente sigo, y el fierro entá nun tien un campu magnéticu de gran escala. Cuando una corriente pasa al traviés del alambre envueltu alredor de planchar, el so campu magnéticu enfusa nel fierro, y fai que los dominios xiren, alliniándose en paralelu al campu magnéticu, polo que los sos campos magnéticos diminutos añader al campu del alambre, creando un campu magnéticu que s'estiende nel espaciu alredor del imán^[9]. Cuanto mayor ye la corriente que pasa al traviés de la bobina d'alambre, más dominios son alliniaos, aumentando la intensidá del campu magnéticu. Finalmente, tolos dominios van tar alliniaos, nuevos aumentos na corriente namái causen llixeros aumentos nel campu magnéticu: esti fenómenu denominar saturación. Cuando la corriente na bobina ta desactivada, la mayoría de los dominios pierden l'alliniación y vuelven a un estáu aleatoriu y asina sume'l campu. Sicasí en dalgunos l'alliniación persiste, una y bones los dominios tienen dificultaes pa perder la so direición de magnetización, dexando nel nucleu un imán permanente débil. Esti fenómenu, llamáu remanencia, deber a la histéresis del material. Aplicar una corriente alterna decreciente a la bobina, retirar el nucleu y cutilo o calecer percima del so puntu de Curie va reorientar los dominios, faciendo que'l campu residual debilítese o suma.

La corriente (I) fluyendo por un cable produz un campu magnéticu (B) en redol a él. El campu empobinar según la regla de la mano derecha.

El tipu más simple d'electroimán ye un cachu d'alambre endolcáu. Una bobina con forma de tubu rectu (paecíu a un torniellu) llámase solenoide, y cuando amás se curva de forma que los estremos coincidan denominar toroide. Pueden producise campos magnéticos muncho más fuertes si asítiase un «nucleu» de material paramagnético o ferromagnético (de normal fierro duce o ferrita, anque tamién s'utiliza'l llamáu aceru llétrico) dientro de la bobina. El nucleu concentra'l campu magnéticu, que puede entós ser muncho más fuerte que'l de la mesma bobina.

Los campos magnéticos xeneraos por bobines empobinar según la regla de la mano derecha. Si los deos de la mano derecha ciérrense en redol a la direición del campu magnéticu B, el pulgar indica la direición de la corriente I. El llau del electroimán del que salen les llinies de campu defínese como «polu norte».

Amás, dientro de la bobina créanse corrientes inducíes cuando ta sometida a un fluxu variable. Estes corrientes son llamaes corrientes de Foucault^[10]y polo xeneral son indeseables, yá que calecen el nucleu y provoquen una perda de potencia en forma de calor.

Usos

Los electroimanes usar n'aplicaciones nes que se precisa un campu magnéticu variable.^[11] Estes aplicaciones pueden implicar la deflección de fexes de partícules cargaes, como nos casos del tubu de rayos catódicos y l'espectrómetru de masa.

Los electroimanes son los componentes esenciales de munchos interruptores, siendo usaos nos frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En delles tranvíes, los frenos electromagnéticos xúntense direutamente a los rieles. Úsense electroimanes bien potentes en grúes pa llevantar pesaos bloques de fierro y aceru, y pa dixebrar magnéticamente metales en chatarreríes y centros de reciclaje. Los trenes de levitación magnética usen poderosos electroimanes pa llexar ensin tocar la pista. Dellos trenes usen fuercies curioses, mientres otros empleguen fuercies repulsivas.

Los electroimanes usar nos motores llétricos rotatorios pa producir un campu magnéticu rotatoriu y nos motores lliniales pa producir un campu magnéticu itinerante qu'impulse l'armadura. Anque la plata ye'l meyor conductor de la lletricidá, el cobre ye usáu más de cutiu por cuenta del so relativu baxu costu, n'ocasiones emplégase aluminiu p'amenorgar el pesu.

La principal ventaya d'un electroimán sobre un imán permanente ye que'l campu magnéticu pue ser rápido manipoliáu nun ampliu rangu controlando la cantidá de corriente llétrica. Sicasí, precísase una fonte continua d'enerxía llétrica pa caltener el campu. N'aplicaciones onde nun se precisa un campu magnéticu variable, los imanes permanentes suelen ser cimeros. Amás, ye posible fabricar imanes permanentes que producen campos magnéticos más fuertes qu'un electroimán de tamañu similar.

Fuercia sobre los materiales ferromagnéticos

Esquema d'un electroimán.

Calcular forzar sobre materiales ferromagnéticos ye, polo xeneral, abondo complexu. Esto debe a les llinies de campu de contorna y a les complexes xeometríes. Puede asemeyase usando analís d'elementos finitos. Sicasí, ye posible envalorar la fuercia máximo so condiciones específiques. Si'l campu magnéticu ta confináu dientro d'un material d'alta permeabilidá, como ye'l casu de ciertes aleaciones d'aceru, la fuercia máximo vien dada por:

$F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{o}}}$

siendo:

F, la fuercia en newtons;
B , el campu magnéticu en teslas;
A, l'área de les cares de los polos en m²;
$\mu _{o}$ , la permeabilidá magnética del espaciu llibre.

Nel casu del espaciu llibre (aire), $\mu _{o}=4\pi \cdot 10^{-7}\,{\mbox{H}}\cdot {\mbox{m}}^{-1}$ , siendo la fuercia por unidá d'área (presión):

$P\approx 398\,\mathrm {kPa}$ , pa B = 1 tesla

$P\approx 1592\,\mathrm {kPa}$ , pa B = 2 teslas

Nun circuitu magnéticu zarráu:

$B={\frac {\mu NI}{L}}$

siendo:

N ye'l númberu de vueltes del cable en redol al electroimán;
I ye la corriente n'amperios;
L ye'l llargor del circuitu magnéticu.

Sustituyendo, llógrase:

$F={\frac {\mu N^{2}I^{2}A}{2L^{2}}}$

Pola so fuercia usar pa llevantar contenedores de más de 25 tonelaes, más el pesu de la carga y vehículos.

Pa construyir un electroimán fuerte, prefierse un circuitu magnéticu curtiu con una gran superficie. La mayoría de los materiales ferromagnéticos encher sobre 1 a 2 teslas. Esto asocede a una intensidá de campu de $H\approx$ 787 amperios×vueltes/metro.

Por esta razón, nun hai motivos pa construyir un electroimán con una intensidá de campu mayor. Los electroimanes industriales usaos pa llevantar grandes mases, diseñar coles cares de dambos polos nun llau (l'inferior). Eso confina les llinies de campu pa maximizar el campu magnéticu. Ye como un cilindru dientro d'otru. Munchos altavoces usen una xeometría asemeyada, anque les llinies de campu son radiales al cilindru interior más que perpendiculares a la cara.

Ver tamién

Referencies

↑ ^1,0 ^1,1 Nave, Carl R. (2012). «Electromagnet». Hyperphysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ.. Consultáu'l 17 de setiembre de 2014.
↑ Mimeur, Robert (1955). Electromecánica de precisión (en castellanu). Reverte. ISBN 9788429130607. Consultáu'l 2018-02-09.
↑ McKeehan, L. W. (1971). Magnetismu (en castellanu). Reverte. Consultáu'l 2018-02-09.
↑ Merzouki, Rochdi; Samantaray, Arun Kumar; Pathak, Pushparaj Mani (2012) Intelligent Mechatronic Systems: Modeling, Control and Diagnosis. Springer Science & Business Media, páx. 403–405. ISBN 144714628X.
↑ Sturgeon, W. (1825). «Improved Electro Magnetic Apparatus». Trans. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce (Londres) 43: páxs. 37–52. citáu en Miller, T.J.Y (2001). Electronic Control of Switched Reluctance Machines. Newnes, páx. 7. ISBN 0-7506-5073-7.
↑ Windelspecht, Michael. Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 19th Century, xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ISBN 0-313-31969-3.
↑ (PDF) Series and Parallel Experimenting with Electromagnets. Pavia Project Physics, Univ. of Pavia, Italy. http://ppp.unipv.it/Collana/Pages/Libri/Saggi/Volta%20and%20the%20History%20of%20Electricity/V%26H%20Sect4/V%26H%20387-407.pdf. Consultáu'l 22 d'agostu de 2015.
↑ Sherman, Roger. «Joseph Henry's contributions to the electromagnet and the electric motor». The Joseph Henry Papers. The Smithsonian Institution. Consultáu'l 27 d'agostu de 2008.
↑ Balcells, Josep (1992). Interferencies electromagnétiques en sistemes electrónicos (en castellanu). Marcombo. ISBN 8426708412. Consultáu'l 2018-02-09.
↑ Antón, Juan Luis; Andrés, Dulce Mª; Barriu, Javier (2009-05). Física 2º Bachilleratu (en castellanu). Editex. ISBN 9788497715898. Consultáu'l 2018-02-09.
↑ Pulido, Manuel Álvarez (2013-03-04). Electroimanes (en castellanu). Editorial Club Universitariu. ISBN 9788415787099. Consultáu'l 2018-02-09.

Enllaces esternos

[Hyperphysics-1] 1,0 ^1,1 Nave, Carl R. (2012). «Electromagnet». Hyperphysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ.. Consultáu'l 17 de setiembre de 2014.

[2] Mimeur, Robert (1955). Electromecánica de precisión (en castellanu). Reverte. ISBN 9788429130607. Consultáu'l 2018-02-09.

[3] McKeehan, L. W. (1971). Magnetismu (en castellanu). Reverte. Consultáu'l 2018-02-09.

[Merzouki-4] Merzouki, Rochdi; Samantaray, Arun Kumar; Pathak, Pushparaj Mani (2012) Intelligent Mechatronic Systems: Modeling, Control and Diagnosis. Springer Science & Business Media, páx. 403–405. ISBN 144714628X.

[5] Sturgeon, W. (1825). «Improved Electro Magnetic Apparatus». Trans. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce (Londres) 43: páxs. 37–52. citáu en Miller, T.J.Y (2001). Electronic Control of Switched Reluctance Machines. Newnes, páx. 7. ISBN 0-7506-5073-7.

[6] Windelspecht, Michael. Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 19th Century, xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ISBN 0-313-31969-3.

[Cavicchi-7] (PDF) Series and Parallel Experimenting with Electromagnets. Pavia Project Physics, Univ. of Pavia, Italy. http://ppp.unipv.it/Collana/Pages/Libri/Saggi/Volta%20and%20the%20History%20of%20Electricity/V%26H%20Sect4/V%26H%20387-407.pdf. Consultáu'l 22 d'agostu de 2015.

[Sherman-8] Sherman, Roger. «Joseph Henry's contributions to the electromagnet and the electric motor». The Joseph Henry Papers. The Smithsonian Institution. Consultáu'l 27 d'agostu de 2008.

[9] Balcells, Josep (1992). Interferencies electromagnétiques en sistemes electrónicos (en castellanu). Marcombo. ISBN 8426708412. Consultáu'l 2018-02-09.

[10] Antón, Juan Luis; Andrés, Dulce Mª; Barriu, Javier (2009-05). Física 2º Bachilleratu (en castellanu). Editex. ISBN 9788497715898. Consultáu'l 2018-02-09.

[11] Pulido, Manuel Álvarez (2013-03-04). Electroimanes (en castellanu). Editorial Club Universitariu. ISBN 9788415787099. Consultáu'l 2018-02-09.

[2]

[3]

[1]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]