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EF V: Los campos magnéticos, las líneas de fuerza y la reluctancia

En el capítulo anterior hablamos de magnetismo, imanes naturales y artificiales, polos de un imán y dominios magnéticos. La quinta entrega de Electricidad Fácil tratará de los campos magnéticos.

¿Qué son los campos magnéticos?

En el capítulo III, al tratar las cargas eléctricas —exceso o falta de electrones—, vimos que estas crean un campo eléctrico, en el cual los objetos cargados se atraen o se repelen según su tipo de carga. Un campo magnético es el espacio alrededor de un imán en el que se dan fenómenos de atracción o de repulsión.

Al igual que los campos eléctricos, los campos magnéticos también son invisibles. Este campo se representa en el papel con líneas que parten del polo norte, viajan alrededor del imán y entran de nuevo a este por el polo sur. En el interior del imán, las líneas no se interrumpen, sino que continúan su camino y vuelven a salir por el polo norte.

La influencia de los campos magnéticos sobre otros campos o sobre cables que conducen corrientes eléctricas es capital en el estudio de la electricidad. De hecho, la acción recíproca de campos magnéticos se usa para producir casi toda la electricidad que consumimos. Además, sirve para convertir la electricidad en movimiento rotatorio; es decir, para fabricar un motor.

¿Qué son las líneas de flujo magnético?

Las líneas de flujo magnético son líneas imaginarias que van del polo norte al polor sur de un imán. Sirven para explicar algunos fenómenos de los campos magnéticos.

Lineas de flujo magnético
Figura 1. Representación de las líneas de flujo magnético en un imán de barra.

Las líneas de flujo también se llaman líneas de fuerza. Las líneas no se ven a simple vista, pero sí con la ayuda de limaduras de hierro. Si ponemos un imán bajo una cartulina y añadimos sobre esta unas limaduras de hierro, veremos que se organizan alrededor del iman y forman líneas separadas entre sí. Una propiedad de las líneas de flujo magnético es que nunca se cortan.

Unidades de medida de flujo magnético y densidad de flujo magnético

¿Cómo se miden las líneas de fuerza de un imán? Podemos medir dos cosas:

  • el flujo magnético
  • la densidad de flujo magnético

Unidades de medida de flujo y de densidad de flujo magnético

Unidad Sistema de unidades ¿Qué mide? ¿A quién debe su nombre? Equivalencia
weber SI Flujo magnético Wilhelm Eduard Weber maxwell
tesla SI Densidad de flujo Nikola Tesla gauss
gauss CGS Densidad de flujo Carl Friedrich Gauss tesla
maxwell CGS Flujo magnético James Clerk Maxwell weber

Densidad de flujo magnético

La unidad de medida de la densidad del flujo magnético de un imán en el sistema CGS el gauss. Se llama así en honor de Carl Friedrich Gauss, un matemático y físico alemán que estudio magnétismo, óptica, álgebra y estadística, entre otras cosas.

Gauss

El gauss (símbolo: G) es una unidad de medida de densidad de flujo magnético o inducción magnética equivalente a 1 Mx/cm² (maxwell por centímetro cuadrado). Equivale a una línea de flujo.

En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de flujo magnético no es el gauss, sino el tesla (símbolo: T). El científico en cuyo honor se nombró esta unidad no es otro que el célebre ingeniero, inventor y mecánico serbio Nikola Tesla.

Tesla

Vistas las unidades de densidad de flujo, vamos con las unidades de flujo magnético.

Flujo magnético

El maxwell es la unidad de medida de flujo magnético en el sistema cegesimal. Se llamaba antiguamente línea. Un maxwell representa la cantidad de flujo magnético en un área de un centímetro cuadrado cuando la densidad de flujo es de un gauss.

El maxwell se llama así por James Clerk Maxwell, un científico escocés que formuló la teoría clásica de la radiación electromagnética.

Maxwell

Pero en el Sistema Internacional de Unidades no se usa el maxwell, sino el weber. El weber es una unidad muy grande que equivale a 108 maxwell.

Wilhelm Eduard Weber fue un físico alemán. Junto con su amigo inventó el telégrafo Gauss-Weber.

Weber

Atracción y repulsión de los campos magnéticos

Como pasa con las cargas eléctricas, si se acerca el polo norte de un imán al de otro, se repelen. Lo mismo sucede si tratamos de juntarlos por el polo sur. Sin embargo, si llevamos el polo norte al polo sur, los imanes se atraen.

Es decir, al igual que en las cargas eléctricas:

  • polos iguales se repelen,
  • polos diferentes se atraen.
Polos de un iman y fenómenos de atracción repulsión
Figura 2. Atracción y repulsión de los polos de un imán. Polos iguales se repelen; polos diferentes se atraen.

Cambiando de tema, al estudiar los materiales conductores y aislantes de la electricidad, vimos que unos permitían mejor que otros el paso de la corriente eléctrica. Con el magnetismo sucede lo mismo. La resistencia que opone un material al paso del flujo magnético se llama reluctancia magnética.

Reluctancia magnética

Las líneas de flujo magnético pasan a través de todos los materiales en mayor o menor medida. Es decir, no existe material que pueda interponerse entre dos imanes para impedir que se atraigan.

Sin embargo, el magnetismo pasa más fácilmente a través de ciertos materiales. Cuanto más alta sea la reluctancia de un material, más se opone este a las líneas de fuerza.

Las líneas de flujo toman el camino de menor reluctancia

Los materiales que no se oponen al paso del flujo magnético tienen reluctancia magnética baja. Y viceversa. Pues bien: las líneas de fuerza toman siempre el camino de menor reluctancia.

Por ejemplo, el aire tiene una mayor reluctancia que el acero. Por eso, si en un circuito magnético —es decir, en mitad de la ruta de las líneas de fuerza— ponemos un trozo de acero, el flujo magnético se concentra más en el metal que en el aire.

Resumen

Los polos son las regiones del imán en las cuales los fenómenos del magnetismo son más fuertes. El espacio que rodea un imán donde un material ferromagnético (u otro imán) es atraído o repelido se conoce como campo magnético.

El campo magnético se representa por líneas que viajan del polo norte del imán hasta el polo sur. Las llamamos líneas de fuerza o flujo magnético.

Al igual que las cargas eléctricas, los polos de mismo signo de un imán se repelen (norte-norte, sur-sur), mientras que los polos distintos se atraen (norte-sur, sur-norte).

No se conoce material capaz de bloquear el flujo magnético. Es decir, si dos imanes se unen por polos distintos, ninguna lámina puede interponerse para detener el fenómeno. Sin embargo, unos materiales conducen el magnetismo mejor que otros. La resistencia que opone un material al paso de las líneas de fuerza es la reluctancia magnética.

Apuntes adicionales: ¿por qué se llama reluctancia a la resistencia magnética?

En el estudio del magnetismo la reluctancia es el equivalente a la resistencia eléctrica (de la cual hablaremos en EF IX). La reluctancia se mide en amperios-vuelta por weber, pero ¿quién escogió este extraño nombre?

Definición de reluctancia magnética

El ingeniero eléctrico autodidacta inglés Oliver Heaviside, y también matemático y físico, fue quien escogió el nombre de reluctancia.

Reluctancia magnética

Resistencia que ofrece un circuito al flujo magnético, s.f. (FÍSICA)

La palabra reluctancia viene del latín reluctari. La partícula re significa 'repetición' y luctari quiere decir 'luchar'. Es decir, vendría a ser, más o menos, «volver a luchar».

Aunque Heaviside fue quien le puso el nombre (en mayo de 1888), el concepto de 'resistencia al magnetismo' ya fue mencionado por el físico inglés James Prescott Joule en 1840.

En cuanto a la idea de una ley de flujo magnético, similar a la ley de Ohm ─que veremos más adelante─, se le atribuye al físico estadounidense Henry-Augustus Rowland. Rowland también acuñó la palabra fuerza magnetomotriz.

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