Capítulo 8: Inducción Electromagnética
Ley de Faraday-Lenz
«La corriente inducida en la bobina de un conductor tendrá un sentido tal que se oponga al cambio que la creó.»
Si el flujo magnético disminuye, el campo tratará de mantener el campo existente, creando un campo inducido en la misma dirección. Si el flujo aumenta, el signo negativo indica que el campo inducido tendrá la dirección opuesta, evitando que el campo siga creciendo.
La fuerza electromotriz (fem) inducida depende de la variación temporal del campo magnético y de la deformación geométrica o movimiento del conductor en el que se produce la inducción.
Producción de Corriente Inducida
Para producir corriente inducida, hacemos variar el flujo magnético a través de un circuito. Algunas formas de hacerlo son:
- Acercar o alejar un imán a un bucle.
- Variar la distancia entre bobinas.
- Girar bobinas mutuamente.
- Variar la corriente en una de las bobinas con el tiempo.
Generación de un Campo Eléctrico Inducido
Para generar un campo eléctrico inducido, es necesario que haya un campo magnético variable en el tiempo. Un campo magnético variable en el tiempo produce un campo eléctrico, cuya propagación es independiente de la existencia de un medio material.
Autoinducción
La inducción puede ser producida por la misma corriente que fluye en un solenoide o bobina, creando autoinducción. Esta corriente genera un campo magnético que varía con el tiempo, resultando en la inducción en el mismo bucle, ya que está impregnado de su propio flujo magnético.
Inductancia Mutua
Dos bobinas cercanas, con corrientes I1 e I2, tienen un flujo magnético que pasa a través de ellas. Este flujo depende del campo magnético de cada una, según la definición de inductancia mutua.
Corrientes de Foucault
Cuando el flujo magnético cambia, se inducen corrientes llamadas corrientes de Foucault.
Transformador
Un transformador se utiliza para aumentar o disminuir la tensión. El núcleo de hierro laminado, concentrando las líneas del campo magnético, hace que el flujo que atraviesa las bobinas sea lo más grande posible, aumentando la eficiencia y reduciendo la disipación de energía.
Capítulo 10: Leyes de Maxwell
1. Ley de Gauss para el Campo Eléctrico
Establece que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada, S (llamada gaussiana), es proporcional a la carga eléctrica contenida dentro de ella.
2. Ley de Gauss para el Campo Magnético
El flujo magnético a través de una superficie gaussiana es siempre cero. Esto significa que las líneas de campo magnético nunca divergen ni convergen en un punto, porque los polos magnéticos son inseparables, lo que nos lleva a considerar la inexistencia de monopolos magnéticos.
3. Ley de Ampère-Maxwell
Demuestra que la circulación del vector campo magnético a lo largo de cualquier camino cerrado es proporcional a la suma de la corriente total que atraviesa la superficie limitada por el camino y la variación temporal del flujo del campo eléctrico a través de dicha superficie.
4. Ley de Faraday-Lenz
Establece que la circulación del campo eléctrico a lo largo de un camino cerrado es proporcional al valor negativo del cambio en el tiempo del flujo del campo magnético a través de la superficie limitada por ese camino.
Capítulo 9: Magnetismo en Materiales
Materiales Paramagnéticos
Los momentos magnéticos de los átomos o moléculas tienden a alinearse en la dirección del campo magnético externo. Los momentos magnéticos de los electrones no apareados están orientados al azar. Son débilmente atraídos por campos externos fuertes. La susceptibilidad magnética es casi independiente de la temperatura y, en la mayoría de los casos, es pequeña.
Materiales Diamagnéticos
El campo magnético externo produce corrientes inducidas, cuya dirección es opuesta al campo aplicado. Cuando los átomos o moléculas tienen un espín total cero, el comportamiento predominante es el diamagnetismo, donde los materiales son ligeramente repelidos por el campo externo. Siempre son débilmente repelidos por campos externos, incluso muy intensos, una característica de casi todos los materiales existentes en la naturaleza. Tienen una susceptibilidad magnética negativa.
Materiales Ferromagnéticos
Son materiales que tienen una fuerte atracción por la acción de un campo magnético externo. Los momentos magnéticos de los electrones no apareados están alineados. Son fuertemente atraídos por campos externos fuertes.
Magnetización residual (remanencia): Es la magnetización que persiste en un material ferromagnético después de que se retira el campo magnético externo. Los materiales con alta magnetización remanente se llaman ferromagnetos duros, y los que tienen una magnetización remanente pequeña se llaman ferromagnetos blandos. Por encima de la temperatura de Curie, el material se convierte en paramagnético.
Materiales Antiferromagnéticos
Los momentos magnéticos se alinean en direcciones opuestas, cancelándose mutuamente.
Materiales Ferrimagnéticos
Los momentos magnéticos se alinean en direcciones opuestas, pero como el número de espines en una dirección es diferente al de la otra, resulta en un momento magnético neto.
Paramagnetismo Intrínseco
Además del comportamiento diamagnético, que suele ser muy débil, existe un comportamiento paramagnético, también débil, debido a los momentos magnéticos de los electrones no apareados en los átomos.
Dominios Magnéticos
Son pequeñas regiones de la estructura microscópica de un material ferromagnético formadas por un número de átomos cuyos momentos magnéticos tienen una alineación preferente, y por lo tanto no pueden ser cambiados fácilmente por vibraciones térmicas.
Temperatura de Curie
Es la temperatura a la que la alineación de los dominios magnéticos se rompe y el material pierde su ferromagnetismo, convirtiéndose en paramagnético.
Origen del Magnetismo
El magnetismo atómico se debe tanto al momento magnético orbital (L), que es el momento angular del electrón en su órbita alrededor del núcleo, como al momento angular de espín (S), que es el momento angular intrínseco del electrón.
Materiales Duros
Se utilizan como imanes permanentes, debido a su gran magnetización remanente y campo coercitivo, lo que resulta en un ciclo de histéresis con un área grande.
Materiales Blandos
Son fácilmente magnetizables y se desmagnetizan con la eliminación del campo externo, por lo que se utilizan en núcleos de transformadores y electroimanes.