¿Que son los electroimanes?

Para que nos quede muy claro cual es el funcionamiento de los electroimanes debemos abarcar primero el tema de el electromagnetismo que es una de las fuerzas primordial del universo, responsable de todo, desde los campos eléctricos y magnéticos hasta la luz. Originalmente,la área científica creía que el magnetismo y la electricidad eran fuerzas separadas. Pero en el siglo XIX, su visión cambió, ya que las investigaciones demostraron de manera concluyente que las cargas eléctricas positivas y negativas estaban gobernadas por una sola fuerza (es decir, el magnetismo).

Desde entonces, los científicos han intentado probar y medir los campos electromagnéticos y recrearlos. Para ello, crearon electroimanes, un dispositivo que utiliza electricidad para crear un campo magnético. Y desde su invención inicial como instrumento científico, los electroimanes se han convertido en una característica habitual de los dispositivos electrónicos y los procesos industriales.

electro imán en grúa
electro imán en grúa
Electroiman
Electroiman

Característica principal de los electroimanes

Los electroimanes se diferencian de los imanes permanentes en que sólo muestran una atracción magnética hacia otros objetos metálicos cuando pasa una corriente eléctrica a través de ellos. Esto presenta numerosas ventajas, ya que el poder magnético puede ser controlado, encendido y apagado a voluntad. Es por esta razón que se utilizan ampliamente en la investigación y la industria, dondequiera que se requieran interacciones magnéticas.

Historia de los electroimanes

El primer descubrimiento registrado de la relación entre electricidad y magnetismo ocurrió en 1820, cuando el científico danés Hans Christian Orsted notó que la aguja de su brújula apuntaba hacia el norte magnético cuando se encendía una batería cercana. Esta desviación lo convenció de que los campos magnéticos irradian desde todos los lados de un alambre que lleva una corriente eléctrica, tal como lo hacen la luz y el calor.

 danés Hans Christian Orsted danés Hans Christian Orsted
danés Hans Christian Orsted

Poco después, publicó sus hallazgos, mostrando matemáticamente que una corriente eléctrica produce un campo magnético a medida que fluye a través de un alambre. Cuatro años más tarde, el científico inglés William Sturgeon desarrolló el primer electroimán, que consistía en una pieza de hierro en forma de herradura envuelta con alambre de cobre. Cuando la corriente pasaba a través del alambre, atraía a otras piezas de hierro, y cuando la corriente se detenía, perdía magnetización.

William Sturgeon desarrolló el primer electroimán
William Sturgeon desarrolló el primer electroimán

 

El electroimán de Sturgeon, aunque débil según los estándares modernos, demuestra su utilidad potencial. A pesar de que sólo pesaba 200 gramos (7 onzas), podía levantar objetos que pesaban aproximadamente 4 kg (9 libras) con sólo la corriente de una batería de una sola célula. Como resultado, la investigación comenzó a intensificarse tanto en los electroimanes como en la naturaleza de la electrodinámica.

En la década de 1930, el científico estadounidense Joseph Henry realizó una serie de mejoras en el diseño del electroimán. Usando alambre aislado, fue capaz de colocar miles de vueltas de alambre en un solo núcleo. Como resultado, uno de sus electroimanes podía soportar hasta 936 kg (2.063 libras) de peso. Esto tuvo un efecto popularizador en el uso de los electroimanes.

el científico estadounidense Joseph Henry mejoro el electroiman
el científico estadounidense Joseph Henry mejoro el electroiman

Tipos de Electroimanes

Una corriente eléctrica que fluye en un alambre crea un campo magnético alrededor del alambre, debido a la ley de Amperios. Esta ley establece que, para cualquier ruta de bucle cerrado, la suma de los elementos de longitud por el campo magnético en la dirección del elemento de longitud es igual a la permeabilidad por la corriente eléctrica encerrada en el bucle.

Para concentrar el campo magnético en un electroimán, el alambre se enrolla en una bobina muchas veces, asegurándose de que el alambre de vuelta esté lado a lado a lo largo del borde. El campo magnético generado por los giros del alambre pasa a través del centro de la bobina, creando allí un fuerte campo magnético. El lado del imán del que emergen las líneas de campo se define como el polo norte.

Una bobina de alambre que toma la forma de una hélice se llama “solenoide”. Sin embargo, se pueden producir campos magnéticos mucho más fuertes si se coloca un material ferromagnético (es decir, hierro) dentro de la bobina. Esto es lo que se llama un “núcleo ferromagnético” (o “electroimán de núcleo de hierro”), que puede generar un campo magnético mil veces mayor que la fuerza de una bobina sola.

Entonces es lo que se conoce como “núcleo inodoro”, en el que el alambre se enrolla alrededor de un núcleo ferromagnético que toma la forma de un bucle cerrado (también conocido como circuito magnético).   En este caso, los campos magnéticos adoptan la forma de un bucle cerrado, presentando así mucha menos “resistencia” al campo magnético que el aire. Como resultado, se puede obtener un campo más fuerte si la mayor parte de la trayectoria del campo magnético está dentro del núcleo.

Y luego están los electroimanes “superconductores”, que están compuestos de alambre enrollado hecho de materiales superconductores (como el niobio-titanio o diboruro de magnesio). Estos cables también se mantienen a temperaturas criogénicas para asegurar que la resistencia eléctrica sea mínima. Estos electroimanes pueden conducir corrientes mucho mayores que el cable ordinario, creando los campos magnéticos más fuertes de todos los electroimanes, a la vez que son más baratos de operar debido a que no hay pérdida de energía.

Usos modernos de los electroimanes:

Hoy en día, existen innumerables aplicaciones para los electroimanes, que van desde la maquinaria industrial a gran escala, hasta los componentes electrónicos a pequeña escala. Además, los electroimanes se utilizan ampliamente para llevar a cabo investigaciones y experimentos científicos, especialmente cuando se requiere una superconductividad y una aceleración rápida.

En el caso de los solenoides electromagnéticos, se utilizan cuando se necesita un campo magnético uniforme (es decir, controlado). Lo mismo ocurre con los electroimanes con núcleo de hierro, en los que se puede insertar o retirar un núcleo de hierro u otro núcleo ferromagnético para intensificar la intensidad de campo del imán. Como resultado, los imanes solenoides se encuentran comúnmente en marcadores electrónicos de paintball, máquinas de pinball, impresoras de matriz de puntos e inyectores de combustible, donde se aplica y controla el magnetismo para asegurar el movimiento controlado de componentes específicos.

Dada su capacidad para generar campos magnéticos muy potentes, baja resistencia y alta eficiencia, los electroimanes superconductores se encuentran a menudo en equipos científicos y médicos. Estos incluyen máquinas de Resonancia Magnética (RM) en hospitales, e instrumentos científicos como espectrómetros de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), espectrómetros de masas, y también aceleradores de partículas.

Sección transversal del Gran Colisionador de Hadrones donde se colocan sus detectores y se producen colisiones. El LHC está a 175 metros (574 pies) bajo tierra en la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra, Suiza. El anillo acelerador tiene una circunferencia de 27 km (17 millas). (Fotografía: CERN)

Sección transversal del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, que depende de potentes aceleradores de partículas para lograr colisiones. Crédito: CERN

Los electroimanes también se utilizan mucho cuando se trata de equipos musicales. Estos incluyen altavoces, auriculares, timbres eléctricos y equipos magnéticos de grabación y almacenamiento de datos, como grabadoras de cinta. La industria multimedia y del entretenimiento depende de los electroimanes para crear dispositivos y componentes, como los VCR y los discos duros.

Los actuadores eléctricos, que son motores responsables de convertir la energía eléctrica en par mecánico, también utilizan electroimanes. La inducción electromagnética es también el medio a través del cual funcionan los transformadores de potencia, que son responsables de aumentar o disminuir los voltajes de la corriente alterna a lo largo de las líneas eléctricas.

El calentamiento por inducción, que se utiliza para la cocción, la fabricación y el tratamiento médico, también se basa en electroimanes, que convierten la corriente eléctrica en energía térmica. Los electroimanes también se utilizan para aplicaciones industriales, como los elevadores magnéticos que utilizan la atracción magnética para levantar objetos pesados o los separadores magnéticos que se encargan de separar los metales ferromagnéticos de la chatarra.

Y por último, pero no por ello menos importante, está la aplicación de los trenes maglev. Además de utilizar la fuerza electromagnética para permitir que un tren levante por encima de una vía, los electroimanes superconductores también son responsables de acelerar los trenes a altas velocidades.

En resumen, los usos de los electroimanes son prácticamente ilimitados, desde dispositivos de consumo y equipos pesados hasta el transporte público. En el futuro, también pueden ser responsables de los viajes espaciales, en los que los sistemas de propulsión iónica utilizan campos magnéticos para acelerar las partículas cargadas (es decir, los iones) y lograr el empuje.

Para más información, asegúrese de consultar la página de NASA Educational Resources’ Experimenting with Electromagnets and Earth’s Role as an Electromagnet and the Creation of Auroras (Experimentar con electroimanes y el papel de la Tierra como electroimán y la creación de auroras), así como la página de la NASA Wavelength (Longitud de onda de la NASA sobre electroimanes).

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