Electroimán
¿Qué es un electroimán?
Un electroimán es un imán que funciona y debe funcionar con electricidad. La fuerza del electroimán puede regularse mediante la corriente. Si se desconecta la corriente, también desaparece el campo magnético. En la tecnología se suelen utilizar electroimanes en lugar de imanes permanentes, ya que los campos magnéticos regulables brindan ventajas. En el caso más sencillo, una bobina de alambre por la que circula una corriente actúa como un electroimán.Índice
Principio de funcionamiento de los electroimanes
Un electroimán es un dispositivo que genera un campo magnético al conectarlo a una fuente de energía. Suele tratarse de un conductor de corriente enrollado en forma de bobina con un núcleo de bobina ferromagnético. La causa del campo magnético son las cargas en movimiento de la corriente dentro del conductor.Según los conocimientos actuales, el movimiento de los portadores de carga es la única forma de generar un campo magnético. Esto también se describe en las ecuaciones de Maxwell, definidas por el físico James Clerk Maxwell, las ecuaciones básicas de la electrodinámica. Las ecuaciones de Maxwell describen con precisión la magnitud de los campos magnéticos y eléctricos en función de las corrientes y las cargas. Encontrará más información sobre la historia de los imanes en nuestra guía.
Básicamente solo existen campos magnéticos generados por el movimiento de cargas, en el que se genera siempre un campo magnético con un polo norte y un polo sur. No existen fuentes de campo magnético, tal y como las cargas son las fuentes del campo eléctrico.
El primer físico que analizó las fuerzas magnéticas de un conductor de corriente, las interpretó correctamente y plasmó por escrito su descubrimiento fue Hans Christian Oersted. En 1820 Oersted observó la desviación de la aguja de una brújula en las proximidades de un alambre conductor de corriente.
Las fuerzas magnéticas de los imanes permanentes también están causadas por el movimiento microscópico de las cargas en la materia. Los electrones de los átomos se mueven a gran velocidad. Estos también poseen un espín electrónico. Ambos causan un momento magnético y, con ello, fuerzas magnéticas.
Los mayores campos magnéticos de la historia se han generado con grandes bobinas por las que pasan corrientes intensas. El campo magnético H en el centro de una bobina de longitud l y radio R es proporcional a la corriente en la bobina I, es proporcional al número de espiras de la bobina n e indirectamente proporcional a la longitud de la bobina l en bobinas muy largas, o indirectamente proporcional al radio de la bobina R en bobinas muy cortas. La fórmula del campo magnético H en el eje de una bobina cilíndrica portadora de corriente es la siguiente:
\(H = \frac{n\cdot{I}}{\sqrt{l^2+4\cdot{R^2}}}\)
Así pues, el campo magnético de una bobina con un diámetro pequeño y un número de espiras muy grande es especialmente fuerte cuando se envía una corriente muy grande a través de ella.
Por ello, para generar campos magnéticos especialmente grandes, en la actualidad se emplean bobinas superconductoras con un gran número de espiras. Los superconductores son materiales que no poseen resistencia eléctrica y, por tanto, conducen la electricidad sin fricción. Así pues, a través del material superconductor puede circular una corriente muy grande. Para reducir la sección transversal y, con ello, el diámetro de la bobina, se explosionaron bobinas superconductoras mediante una carga explosiva colocada alrededor de la bobina en experimentos sobre campos magnéticos elevados. Esto reduce de golpe el diámetro de la bobina superconductora y el campo magnético aumenta bruscamente durante un breve período de tiempo, si bien a continuación vuelve a colapsar inmediatamente, ya que la bobina ha sido destruida. Como resultado de la explosión, las líneas de campo quedan «comprimidas».
Este proceso ya se ha utilizado para generar campos magnéticos de varios 10 000 teslas de intensidad de campo magnético. En el espacio existen campos magnéticos aún mayores en la superficie de las estrellas de neutrones.
La ilustración de la izquierda muestra una sección del campo magnético H de un conductor por el que circula la corriente I.
En el centro, se muestra el curso de las líneas de campo cuando el conductor se dobla formando una espira.
Si se enrollan muchas espiras alrededor de un núcleo ferromagnético (lado derecho) y se aplica una tensión U al conductor, fluye una corriente I y se crea un campo magnético H, que es muchas veces más fuerte que el campo magnético de la espira individual debido al núcleo ferromagnético y al gran número de espiras.
Esta estructura corresponde a la de un electroimán clásico.
Sin embargo, la forma del campo magnético es similar a la de un bucle conductor e idéntica a la de un imán permanente en forma de barra.
Para una mayor claridad, solo se han indicado las líneas de campo de la bobina de la derecha.
Son mucho más densas que en la espira de un solo conductor y van del polo norte (parte inferior de la bobina) al polo sur (parte superior de la bobina) para cerrarse de nuevo en el interior del electroimán.
Los polos norte y sur pueden invertirse intercambiando los polos de la fuente de tensión e invirtiendo así el sentido de la corriente.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.
Dr. Franz-Josef Schmitt
El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.
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