Efectos de la corriente eléctrica

    Los efectos del magnetismo son conocidos por el ser humano desde el siglo vi a. C. Sin embargo, su relación con los fenómenos eléctricos no se estudió hasta principios del siglo xix dentro de una disciplina del conocimiento de nuevo cuño bautizada como electromagnetismo.

    La trascendencia de esta relación tan estrecha entre magnetismo y electricidad se pone de manifiesto enumerando las aplicaciones prácticas más sobresalientes del electromagnetismo. Motores eléctricos, generadores de electricidad, transformadores, multitud de dispositivos electromecánicos como relés y contactores son sólo varias de sus aplicaciones.

    El aprovechamiento de los recursos naturales y la transformación de las energías limpias en energía eléctrica es posible después de los esfuerzos que los investigadores han dedicado al estudio de estos fenómenos. Los avances no sólo se han producido en el campo de la energía sino que otros sectores como la electrónica, la informática o la industria automovilística, disfrutan de los beneficios que supone el uso práctico del electromagnetismo.

    Dispositivos como los sistemas de almacenamiento masivo de información (discos duros), las tarjetas electrónicas o los detectores de monedas en maquinas expendedoras constituyen algunos ejemplos concretos. Incluso en el ámbito doméstico, en el que se emplean inventos tan avanzados como las cocinas de inducción o elementos tan comunes y sencillos como los altavoces de los equipos de audio, demuestran la importancia del electromagnetismo aplicado.

    Fenómenos magnéticos

    Se llama magnetismo a un fenómeno físico natural observado, por ejemplo, en la acción de los imanes. Al igual que sucede con la gravedad, el magnetismo se manifiesta como una forma de energía que resulta sorprendente por su capacidad de ejercer influencia «a distancia», es decir, sin que exista contacto físico entre los cuerpos afectados. Esta circunstancia ha sido aprovechada a lo largo de la historia en múltiples aplicaciones, algunas de carácter científico-técnico y otras más orientadas hacia el entretenimiento o la argucia. Ello justifica las numerosas leyendas y anécdotas que existen en torno a sus efectos.

    La magnetita es el mineral magnético por excelencia.

    En la naturaleza existen algunos minerales, como la magnetita, que tienen la propiedad de ejercer fuerzas de atracción sobre objetos de acero, hierro o níquel. Estos minerales reciben el nombre de imanes. Las sustancias que son atraídas por los imanes se denominan ferromagnéticas.

    A escala atómica, el magnetismo se explica como consecuencia del efecto provocado por el movimiento de rotación de cada electrón sobre su eje. Dado que los electrones giran al azar en todos los sentidos, el resultado neto puede ser nulo o perceptible. En el primer caso, la sustancia será magnéticamente nula; en el segundo, se comportará como un imán natural.

    Los imanes son sustancias dotadas de la propiedad de atraer a los materiales ferromagnéticos, como el hierro dulce.

    Los imanes se clasifican en naturales, cuando se dan espontáneamente en la naturaleza (como la magnetita), y artificiales, si las propiedades magnéticas han sido inducidas o potenciadas por el ser humano. Algunos materiales ferromagnéticos tienen la capacidad de retener durante largo tiempo estas capacidades magnéticas, por lo que reciben el nombre de imanes permanentes; así sucede con el acero. Otros, en cambio, pierden estas propiedades en cuanto cesa la influencia magnética externa a la que son sometidos; son los imanes temporales, como el hierro dulce.

    Resulta fácil experimentar para comprobar si un material pertenece a un grupo o a otro. Basta con frotarlo con un imán y verificar si adquiere capacidades magnéticas permanentes. Este proceso de transferencia de propiedades magnéticas se denomina imantación o imanación.

    En todo imán siempre hay dos zonas diametralmente opuestas en las cuales se produce mayor atracción. Estas zonas reciben el nombre de polos y, a semejanza de los geográficos, se etiquetan como polo norte (N) y sur (S). Los polos de los imanes, como sucede con las cargas eléctricas, manifiestan fuerzas de repulsión cuando son iguales y de atracción si son opuestos. Curiosamente, cuando un imán se divide en dos, cada uno de los fragmentos resultantes presenta de nuevo un polo norte y otro sur.

    Los polos norte y sur de un imán no pueden existir de forma aislada. Al partir un imán por la mitad, cada uno de los imanes resultantes tiene polos norte y sur.

    Magnetismo terrestre y campo magnético

    Una de las aplicaciones más cotidianas de los imanes es la construcción de brújulas que permitan conocer en todo momento la localización del polo norte magnético terrestre. Una brújula no es más que una aguja imantada que gira libremente sobre un eje situado en el centro de una esfera graduada. Como consecuencia de las fuerzas magnéticas, la aguja siempre tiende a orientarse en dirección N-S y sentido N. De este modo quedan identificados perfectamente los puntos cardinales.

    Las brújulas aprovechan las fuerzas magnéticas terrestres y las propiedades de los imanes para apuntar siempre hacia el norte.

    La existencia del campo magnético terrestre se explica analizando la estructura interna del planeta. En el centro de la Tierra existe una esfera de hierro sólido cuyo tamaño es aproximadamente el 70 % del de la Luna, a una temperatura cercana a la del Sol y conocida como núcleo interno.

    Esta esfera rota en torno al eje de giro terrestre con una velocidad angular superior a la de la superficie del planeta. El exterior del núcleo, llamado núcleo externo, está formado por una capa profunda de hierro líquido. En esta región se origina el campo magnético terrestre. Por el denominado efecto dinamo, la interacción de fenómenos complejos entre ambos núcleos provoca la aparición del magnetismo terrestre.

    Dado que existe un polo norte geográfico y un polo norte magnético, podría pensarse que ambos coinciden en posición. Lo cierto es que no sólo no coinciden, sino que el norte magnético está en constante movimiento. Con el paso de los tiempos geológicos, su intensidad aumenta y disminuye y, en determinados momentos de la historia de la Tierra, los polos se alternan. Este proceso necesita miles de años para completarse.

    Se llama paleomagnetismo a la disciplina científica que estudia el pasado magnético de la Tierra utilizando, entre otros métodos, el estudio de la orientación de las partículas magnéticas de antiguas rocas. Las conclusiones de sus estudios permiten tener constancia de los cambios magnéticos que ha sufrido la Tierra en periodos pasados.

    La existencia del magnetismo terrestre tiene una gran importancia, ya que protege al planeta de las radiaciones procedentes del espacio. También lo preserva de las tormentas solares, cuya presencia puede observarse a simple vista en áreas concretas del planeta durante las auroras boreales y australes.

    Por otra parte, se llama campo magnético de un imán al área donde se manifiestan las fuerzas magnéticas sobre las sustancias ferromagnéticas. Obviamente, este campo es invisible, si bien puede observarse con relativa sencillez mediante un experimento que consiste en depositar sobre un papel un conjunto de limaduras de hierro distribuidas uniformemente por la superficie. Al aproximar por la cara inferior un pequeño imán se observará que todas las limaduras se orientan de tal manera que «dibujan» el campo magnético.

    En el experimento se observará que existe mayor concentración de limaduras en los extremos o polos del imán y que, entre ambos polos, se forman líneas o cadenas de limaduras denominadas líneas de inducción de campo. Por convención, se determina que las líneas de campo tienen un sentido que va del polo norte al sur.

    El estudio del campo magnético se puede realizar por medio de las líneas de inducción de campo, ya que el sentido indicará la posición de los polos y su concentración la intensidad. El concepto de flujo magnético en una superficie está asociado directamente a esta concentración y, en consecuencia, a la medida de la intensidad del campo porque representa el número de líneas de inducción que atraviesan dicha superficie.

    Limaduras de hierro atraídas por un imán. La mayor concentración de estas limaduras se da en los polos del imán.

    Electromagnetismo

    Las cargas eléctricas en movimiento crean a su alrededor un campo magnético. Inversamente, los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre las corrientes eléctricas. Por tanto, existe una iteración intrínseca entre los fenómenos magnético y eléctrico. Así lo atestiguaron en la primera mitad del siglo XIX los estudios y observaciones de científicos tan sobresalientes como Hans Christian Oersted, Michael Faraday, André-Marie Ampère y Heinrich Lenz. Ellos, y otros muchos investigadores, sentaron las bases de la disciplina científica hoy conocida como electromagnetismo.

    André-Marie Ampère, uno de los pioneros del electromagnetismo.

    La corriente que atraviesa un conductor recto genera un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente eléctrica, con forma de círculos concéntricos. El sentido de las líneas de fuerza de dicho campo, según la popular regla del sacacorchos, es el que señalaría el giro de un sacacorchos que avanzara en el mismo sentido que la corriente (en el sentido convencional, es decir, contrario al movimiento real de los electrones).

    Como la intensidad de este campo es muy débil, se forma una espira o bucle con el conductor recto. Se obtiene así un campo más fuerte por el incremento de las líneas de fuerza. Si se añaden más espiras para formar un arrollamiento o bobina, el campo magnético de cada espira se suma, con la formación de un campo resultante uniforme en el interior de la bobina y mucho más intenso que en el exterior. Los extremos de la bobina pasan a ser los polos magnéticos.

    Campo magnético provocado por un imán.

    Magnitudes magnéticas

    En el estudio del electromagnetismo es necesario introducir un conjunto de conceptos y magnitudes que permiten formular leyes para explicar los fenómenos, al igual que existen y se han estudiado las magnitudes eléctricas y sus leyes. Es posible observar una relación muy estrecha que permite establecer comparaciones o equivalencias entre las magnitudes eléctricas y las magnéticas (v. tabla 1).

    Tabla 1. Analogía entre electricidad y magnetismo.

    Dos magnitudes fundamentales en este ámbito son el flujo magnético y la inducción magnética. El primero indica la cantidad de líneas de fuerza presentes en un campo magnético, se representa por la letra y su unidad en el Sistema Internacional (si) es el weber (símbolo: Wb). Por su parte, la inducción magnética representa la densidad de líneas de fuerza, ya que mide la cantidad de líneas de campo magnético por unidad de superficie. Se representa por la letra B y su unidad en el si es la tesla (T).

    De modo semejante, se define fuerza magnetomotriz, denotada por Fm, como la capacidad que tiene una bobina para generar líneas de fuerza en un circuito magnético. Esta fuerza se obtiene multiplicando el número de espiras o vueltas por la intensidad de corriente eléctrica; su unidad es el amperio-vuelta (Av).

    De especial interés es la magnitud conocida como intensidad de campo magnético, representada por H y directamente relacionada con la fuerza magnetomotriz. En esta magnitud ha de tenerse en cuenta la longitud de la bobina, porque al aumentar ésta disminuye la densidad de las líneas de fuerza. Matemáticamente:

    H = (N · I)/L

    donde N es el número de vueltas, I la intensidad de corriente eléctrica y L la longitud de la bobina.

    La reluctancia, denotada comúnmente por Rm, es el equivalente magnético de la resistencia eléctrica. Representa la oposición de un material al establecimiento de líneas de fuerza. Análogamente a la existencia en electricidad de la ley de Ohm, en magnetismo se propone la ley de Hopkinson, que relaciona la fuerza magnetomotriz, el flujo magnético y la reluctancia. Las unidades de la reluctancia son Av/Wb. La expresión matemática de la ley de Hopkinson es la siguiente:

    Fm = · Rm

    La magnitud conocida por permeabilidad magnética responde a un concepto representativo de las propiedades magnéticas de un material o sustancia. Si se observan los fenómenos magnéticos asociados a una bobina y se comparan con los observados cuando se introduce en la bobina un núcleo de hierro, se puede concluir que éste aumenta la intensidad de los fenómenos magnéticos.

    La relación entre ambas inducciones magnéticas se conoce como permeabilidad relativa. La permeabilidad absoluta pone su efecto más de manifiesto, ya que representa la relación entre la inducción magnética y la intensidad de campo magnético, con lo que se expresa como un factor multiplicador:

    = B/H

    Existen otros materiales que, al ser introducidos en el interior de la bobina, pueden conservar los efectos e incluso reducirlos. Los materiales que aumentan los efectos magnéticos se dicen ferromagnéticos, los que no influyen son paramagnéticos y los que reducen el efecto se llaman diamagnéticos.

    Entre las sustancias ferromagnéticas destacan el hierro, el acero, el cobalto, el níquel y las ferritas, compuestos cerámicos como, por ejemplo, la mezcla de óxido de hierro con carbonato de bario. El oro, la plata y el cobre son paramagnéticos, mientras que el platino y el aluminio son diamagnéticos. Se llama histéresis magnética a la capacidad de un material para retener el flujo magnético.

    Inducción electromagnética y autoinducción

    Se conoce por inducción electromagnética el fenómeno mediante el cual es posible producir electricidad como producto de la acción magnética. Si en el interior de un campo magnético originado por un imán se mueve reiteradamente un conductor, se producirá un efecto electromagnético que provocará la aparición de una diferencia de potencial entre los extremos del conductor.

    Esta fuerza electromotriz inducida aumenta si se incrementa el número de espiras o se eleva el nivel de inducción del campo. Se obtendrá el mismo efecto si, en vez de mover el conductor, se desplaza el imán. En general, lo que influye realmente es que el conductor experimente una variación reiterada del campo magnético.

    Este proceso es reversible, ya que si se hace circular una corriente eléctrica de intensidad variable a través de una bobina aparecerá un campo magnético en su entorno. Cuando se sujeta la bobina a un soporte móvil y se introduce un imán encerrando el bloque, el soporte se moverá hasta que la orientación de los polos del imán permanente y de la bobina se alineen.

    Fenómeno de la inducción electromagnética. Una corriente eléctrica móvil induce un campo magnético que, a su vez, genera una corriente eléctrica en su campo de influencia.

    Si se utilizan varias bobinas correctamente distribuidas en círculo y se produce de forma organizada la circulación de la corriente, se obtendrá un sistema móvil de giro controlado que se conoce como motor paso a paso. Este dispositivo constituye la esencia del sistema de posicionamiento típico de las cabezas lectoras de las unidades de disco o los mecanismos de tracción y fricción de las impresoras, entre otras aplicaciones.

    La autoinducción es el fenómeno que se produce en el interior de una bobina cuando el campo magnético que genera la circulación de corriente engendra en ella misma una nueva tensión. Por la llamada ley de Lenz, el sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que la produjo.

    Por tanto, la corriente variable que circula por una bobina y produce un campo magnético también variable que corta a las espiras de la propia bobina, autoinduce una fem cuya corriente, según la mencionada ley de Lenz, se opondrá a la causa que la ha provocado. Una bobina puede considerarse así un elemento que provoca una inercia eléctrica como consecuencia del magnetismo que acumula.

    En el instante de la conexión de la bobina, ésta presenta una oposición importante a la circulación de la corriente porque la autoinducción genera una fem de signo contrario a la fuente. Transcurrido el instante inicial la bobina acumula la energía en forma de campo magnético. Durante la desconexión del circuito de su fuente de alimentación, la bobina devuelve en forma de tensión el magnetismo acumulado. Esta tensión se opondrá al descenso, sumándose a la de la fuente y dando lugar a la aparición de tensiones elevadas que, en caso extremo, podrían llegar a destruir los contactos eléctricos u otros componentes del circuito.

    El coeficiente de autoinducción de una bobina, denotado comúnmente por L, depende del número de espiras (N), la sección del núcleo (S) y la longitud de la propia bobina (l). Su unidad es el henrio (símbolo H). Matemáticamente, la autoinducción se define como:

    L = 0 · (N2 · S)/l

    Aplicaciones de mando y protección

    Las aplicaciones prácticas que se derivan de la capacidad de generar un campo magnético a través de la circulación de una corriente eléctrica, y a la inversa, son muy numerosas. Las más habituales comprenden desde los transformadores, que permiten aumentar o reducir los valores de tensión y corriente de una señal, hasta máquinas rotativas como los generadores y los motores.

    Los transformadores son una de las habituales aplicaciones prácticas derivadas de la relación entre magnetismo y electricidad.

    Es posible apreciar el aprovechamiento práctico de estos fenómenos en dispositivos de diseño relativamente sencillo como los relés de mando y los contactores. Ambos tipos permiten controlar la apertura o cierre de un circuito eléctrico, conocido como circuito de fuerza, mediante la aplicación de una señal eléctrica en un denominado circuito de mando.

    Mediante los relés de mando se puede, por ejemplo, hacer que una computadora gobierne los elementos eléctricos de una vivienda con independencia de las tensiones de trabajo. Ello significa que, con una señal que no supera los cinco voltios de tensión y no puede proporcionar más que unos miliamperios, es posible controlar el encendido y apagado de un sistema de iluminación que trabaje con 220 V y consuma del orden de 100 W de potencia.

    Los relés de mando y contactores aseguran un aislamiento galvánico entre los circuitos de mando y fuerza. La única limitación de estos dispositivos es que su funcionamiento es exclusivamente del tipo «todo o nada», es decir, o cierran el circuito o lo abren.

    En un relé de mando aparecen dos circuitos independientes. El circuito de mando tiene dos terminales o conexiones externas que son, en realidad, los extremos de una bobina. Cuando se hace circular una corriente eléctrica a través de él, la bobina actúa como un imán. Este comportamiento se mantiene mientras la corriente fluya por su interior y desaparece con el cese de la corriente.

    El circuito de fuerza presenta como mínimo dos terminales, que son los extremos del interruptor cuyo cierre permite el flujo de corriente por el circuito de fuerza. La activación mecánica del interruptor se produce por el efecto electromagnético de la bobina del circuito de mando. Cuando se comporta como un imán, dicha bobina atrae magnéticamente la placa que cierra el interruptor. El mecanismo está diseñado para que, al cesar la atracción, el interruptor vuelva a su estado inicial.

    Como se puede observar, no hay conexión física entre ambos circuitos. En virtud de ello se pueden fabricar relés cuyo circuito de mando trabaje con valores de tensión y corriente reducidos; por el contrario, el circuito de fuerza utiliza magnitudes elevadas y completamente distintas.

    Ejemplo de un relé, un dispositivo habitual en la protección de circuitos.

    Ejemplo de un relé, un dispositivo habitual en la protección de circuitos.

    En numerosos relés de mando, el interruptor se sustituye por un conmutador, lo que aumenta las posibilidades de uso. Disponen incluso de múltiples conmutadores gobernados por el mismo circuito de mando. Los terminales de los conmutadores se identifican por las siglas com para referirse al terminal común, nc para identificar al terminal que está conectado sin excitación con el común y no para referirse al terminal que se conectará con el común cuando se produzca la activación. Podría decirse así que com es la entrada y nc y no las salidas, teniendo en cuenta que nc se encuentra «normalmente cerrado» y no está «normalmente abierto».

    El contactor electromagnético tiene un funcionamiento similar al relé de mando y, por sus características de robustez y alta fiabilidad, se usa en instalaciones y electrónica industrial. Existen contactores de corriente continua y alterna de baja, media y alta potencia. Disponen de una estructura similar al relé de mando, aunque incorporan resortes destinados a separar los contactos y presionarlos durante la conexión. Cuentan también con cámaras de extinción que aseguran conexiones y desconexiones protegidas de los arcos eléctricos.

    Protección

    Basándose en los efectos electromagnéticos existen otros relés, llamados de protección, de aplicaciones específicas cuya misión es proteger los circuitos frente a situaciones potencialmente peligrosas, como sobrecargas y sobretensiones. Los más conocidos son los relés térmicos, cuyo disparo se produce cuando surge una sobrecarga detectada por el aumento de la temperatura, y magnetotérmicos, que detectan una sobrecarga continuada e incluyen disparo instantáneo ante grandes sobrecargas.

    Otros dispositivos específicos son los relés temporizados, que sirven para introducir retardos en la respuesta en un circuito ante un hecho externo; los relés de medida, que detectan si los valores de tensión o corriente están dentro de su rango de funcionamiento normal, y los relés diferenciales, cuyo diseño protege a las personas de los contactos directos o indirectos con la instalación eléctrica.

    El relé diferencial mide constantemente la diferencia entre la corriente de entrada y la de salida. Cuando detecta una diferencia entre ambas se dispara e interrumpe el flujo eléctrico, porque dicha situación se produce sólo si existe una derivación a tierra en la instalación. Ha de considerarse que ésta es la causa más habitual de un contacto con una persona, que podría producir su electrocución.