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Electroimán: ¿Qué es un electroimán? ¿Cómo funciona y qué ventajas tiene con respecto a un imán permanente?

¿Qué es un electroimán?

Un electroimán es un dispositivo bastante sencillo. Consiste en un tramo de filamento conductor, normalmente de cobre, enrollado alrededor de una pieza de metal. Para que el mecanismo realmente cumpla su función, y no sea solamente un conjunto de piezas sueltas, la electricidad debe entrar en escena. Se introduce una corriente, ya sea de una batería o de otra fuente de electricidad, que debe fluir a través del cable. Esto crea un campo magnético alrededor del filamento enrollado, magnetizando el metal como si fuera un imán permanente. La gran ventaja de un electroimán, con respecto a un imán permanente, es que se puede encender y apagar a gusto y según la necesidad que se tenga.

Índice

    ¿Cuál es la diferencia entre un electroimán y un imán permanente?

    Veamos más en detalle en qué se diferencian los electroimanes de los imanes «permanentes», comunes y corrientes, como los que se pegan a la nevera para recordar un lugar que reparte pedidos.

    Como sabes, los imanes tienen dos polos, el «norte» y el «sur», y atraen objetos de acero, hierro o una combinación de ambos. Los polos iguales se repelen y los opuestos se atraen.

    Por ejemplo, si tienes dos barras magnéticas con los extremos marcados como N (norte) y S (sur), el extremo norte de un imán atraerá el extremo sur del otro. Por otro lado, el extremo norte de un imán repelerá el extremo norte del otro (y de forma similar, el sur repelerá al sur).

    Motor eléctrico alternativo
    Electroimanes e imanes permanentes – Motor eléctrico alternativo

    Un electroimán es igual, salvo que es «temporal»: el campo magnético sólo existe cuando por el filamento del electroimán fluye la corriente eléctrica.

    Un ejemplo de electroimán

    Un timbre eléctrico del acceso a una casa es un buen ejemplo de cómo se utilizan los electroimanes en aplicaciones en las que los imanes permanentes no tendrían ningún sentido.

    Así, cuando una persona pulsa el botón del timbre de la puerta principal, el circuito electrónico del timbre cierra un bucle eléctrico, lo que significa que el circuito se completa y se «enciende». El circuito cerrado permite que fluya la electricidad, creando un campo magnético y haciendo que el badajo (pieza que al moverse y golpear la pared de una campanilla hace que suene) se magnetice.

    Funcionamiento del timbre eléctrico con electroimán

    Los componentes básicos de un timbre eléctrico tradicional son: una campanilla y un badajo metálicos. Cuando la atracción magnética jala o empuja el badajo, se entrechocan ambos componentes y hace que suene el timbre. Luego, el timbre suena, la persona suelta el botón, el circuito se abre y el timbre deja de sonar nuevamente. Este «magnetismo a demanda» es lo que hace que el electroimán sea tan útil.

    En este artículo, analizaremos los electroimanes y descubriremos cómo estos dispositivos toman algo de la ciencia más interesante y la aplican a los artilugios que nos rodean y que nos facilitan la vida.

    La historia de los electroimanes

    James Clerk Maxwell - Teoría clásica de la radiación electromagnética
    James Clerk Maxwell

    La relación entre la electricidad y el magnetismo no se estudió a fondo hasta 1873, cuando el físico James Clerk Maxwell observó la interacción entre cargas eléctricas positivas y negativas. A través de continuos experimentos, Maxwell determinó que estas cargas se atraen o se repelen en función de su orientación. También fue el primero en descubrir que los imanes tienen polos, o puntos individuales donde se concentra la carga. Y, algo importante para el electromagnetismo, Maxwell observó que cuando una corriente pasa por un cable, genera un campo magnético alrededor del mismo.

    El trabajo de Maxwell fue el responsable de muchos de los principios científicos en funcionamiento, pero no fue el primer científico que experimentó con la electricidad y el magnetismo. Casi 50 años antes, Hans Christian Oersted descubrió que una brújula que utilizaba reaccionaba al encender y apagar una pila en su laboratorio. Esto sólo ocurriría si hubiera un campo magnético presente que interfiriera con la aguja de la brújula, por lo que dedujo que se generaba un campo magnético a partir de la electricidad que fluía desde la pila. Pero Oersted gravitó hacia el campo de la química y dejó la investigación de la electricidad y el magnetismo a otros.

    El abuelo del electromagnetismo es Michael Faraday, un químico y físico que elaboró muchas de las teorías que posteriormente desarrolló Maxwell. Una de las razones por las que Faraday es mucho más prominente en la historia que Maxwell u Oersted se debe probablemente a que fue un investigador e inventor muy prolífico. Se le considera un pionero del electromagnetismo, pero también se le atribuye el descubrimiento de la inducción electromagnética, de la que hablaremos más adelante cuando exploremos algunas aplicaciones del mundo real.

    Faraday también inventó el motor eléctrico y, además de su influyente labor en el campo de la física, fue la primera persona en recibir el prestigioso cargo de Profesor Fulleriano de Química en la Royal Institution de Gran Bretaña.

    El poder de adherencia de los electroimanes

    Como hemos mencionado en la introducción, los electroimanes básicos no son tan complicados; seguramente podríamos construir uno sencillo con materiales que tenemos en casa.

    Sencillo electroimán con clavo

    Un cable conductor, normalmente de cobre aislado, se enrolla alrededor de una varilla metálica. El cable puede calentarse al tacto, por lo que el aislamiento es importante. La varilla en la que se enrolla el alambre se llama solenoide, y el campo magnético resultante se irradia desde este punto. La fuerza del imán está directamente relacionada con el número de veces que el alambre se enrolla alrededor de la varilla. Para obtener un campo magnético más fuerte, el alambre debe estar más enrollado.

    Pero además, cuanto más apretado esté el alambre alrededor de la varilla o núcleo, más bucles hará la corriente a su alrededor, aumentando la fuerza del campo magnético.

    Además de la fuerza con la que se enrolla el alambre, el material utilizado para el núcleo también puede controlar la fuerza del imán.

    Por ejemplo, el hierro es un metal ferromagnético, lo que significa que es muy permeable. La permeabilidad es otra forma de describir la capacidad del material para generar un campo magnético. Cuanto más conductivo sea un determinado material a un campo magnético, mayor será su permeabilidad.

    Toda la materia, incluida la barra de hierro de un electroimán, está compuesta por átomos. Antes de electrificar el solenoide, los átomos del núcleo metálico están dispuestos de forma aleatoria, sin apuntar en ninguna dirección concreta. Cuando se introduce la corriente, el campo magnético penetra en la varilla y reordena los átomos. Con estos átomos en movimiento, y todos en la misma dirección, el campo magnético crece.

    La alineación de los átomos, pequeñas regiones de átomos magnetizados llamadas dominios, aumenta y disminuye con el nivel de corriente, por lo que al controlar el flujo de electricidad, se puede controlar la fuerza del electroimán. Llega un punto de saturación en el que todos los dominios están alineados, lo que significa que si se añade más corriente no aumentará el magnetismo.

    Electroimán: Campos magnéticos

    Al controlar la corriente, se puede esencialmente encender y apagar el electroimán. Cuando se apaga la corriente, los átomos vuelven a su estado natural y aleatorio, y la varilla pierde su magnetismo. Técnicamente, conserva algunas propiedades magnéticas, pero no muchas y no por mucho tiempo.

    Con un imán permanente común, como los que sujetan una foto o un menú del delivery a la nevera, los átomos están siempre alineados y la fuerza del imán es constante.

    ¿Sabías que puedes eliminar la fuerza de adherencia de un imán permanente dejándolo caer? El impacto puede hacer que los átomos se desalineen. Luego, se lo puede volver a magnetizar frotándolo con otro imán.

    ¿De dónde proviene la electricidad de un electroimán?

    Dado que se necesita una corriente eléctrica para hacer funcionar un electroimán, ¿de dónde proviene esta electricidad? La respuesta rápida es que cualquier cosa que produzca corriente puede alimentar un electroimán. Desde las pequeñas pilas AA, utilizadas en el mando a distancia del televisor, hasta las grandes centrales eléctricas industriales que extraen la electricidad directamente de una red, si almacenan y transfieren electrones, pueden alimentar un electroimán.

    Empecemos por ver cómo funcionan las pilas domésticas. La mayoría de las pilas tienen dos polos fácilmente identificables, un positivo y un negativo. Cuando la pila no está en uso, los electrones se acumulan en el polo negativo. Cuando las pilas se insertan en un dispositivo, los dos polos se unen a los contactos eléctricos del dispositivo, cerrando el circuito y permitiendo que los electrones fluyan libremente entre los polos.

    En el caso de su mando a distancia, el dispositivo está diseñado para un consumo específico, o punto de salida, para la energía almacenada en la pila. El consumo utiliza la energía para hacer funcionar el mando a distancia. Si simplemente se conectara un cable entre cada extremo de una pila, sin nada en el medio, la energía de la pila se agotaría rápidamente.

    Mientras esto ocurre, los electrones en movimiento también crean un campo magnético. Si sacas las pilas de tu mando, es probable que conserven una pequeña carga magnética. No podrías levantar una barra de hierro pesada, pero sí unas pequeñas limaduras de hierro o incluso un clip.

    En el otro extremo del espectro está la propia Tierra. Según la definición de la que hablamos antes, un electroimán se crea cuando la corriente eléctrica fluye alrededor de algún núcleo ferromagnético. El núcleo de la Tierra es de hierro, y sabemos que tiene un polo norte y un polo sur. No se trata sólo de denominaciones geográficas, sino de polos magnéticos realmente opuestos.

    Campo magnético natural de la Tierra

    El efecto dinamo, un fenómeno que crea corrientes eléctricas masivas en el hierro gracias al movimiento del hierro líquido a través del núcleo externo, crea una corriente eléctrica. Esta corriente genera una carga magnética, y este «electro»-magnetismo natural de la Tierra es lo que hace funcionar una brújula. Una brújula siempre apunta al norte porque la aguja metálica es atraída por la atracción del Polo Norte.

    Algunos electroimanes a nuestro alrededor

    Está claro que hay una amplia gama de aplicaciones de electroimanes entre los pequeños experimentos científicos caseros y la propia Tierra. Entonces, ¿dónde encontramos estos dispositivos en el mundo real? Veamos cómo nuestra vida cotidiana se ve afectada por el electromagnetismo.

    Ya dijimos que los electroimanes tienen una ventaja sobre los imanes permanentes: pueden encenderse y apagarse con facilidad, además de poder controlar su fuerza con solo aumentar o disminuir la cantidad de electricidad que fluye alrededor del núcleo.

    La tecnología moderna depende en gran medida de los electroimanes para almacenar información mediante dispositivos de grabación magnética. Cuando se guardan datos en un disco duro de ordenador tradicional, por ejemplo, se magnetizan pequeñas porciones del disco con un patrón específico, para representar la información que se desea almacenar. Estos datos comenzaron su vida como lenguaje informático digital binario (ceros y unos). Cuando se recupera esta información, leyendo nuevamente la magnetización de estas pequeñas porciones del disco, el patrón se convierte en el patrón binario original y se traduce en una forma utilizable.

    Aplicación del electroimán en almacenamiento de datos
    Aplicación del electroimán en el almacenamiento de datos

    ¿Qué función cumple en este caso el electroimán? Es este dispositivo, uno de los componentes del circuito del disco duro, el que se encarga de magnetizar a demanda esos pequeños sectores de metal. Este es el mismo principio que se utiliza en las videograbadoras y otros medios basados en cintas, aunque por distintas desventajas que tienen, estos dispositivos de almacenamiento están comenzando a ser reemplazados por otros de estado sólido o sin partes móviles.

    Es posible que utilices también el electromagnetismo a diario si cargas un teléfono o una tableta de forma inalámbrica. La almohadilla de carga crea un campo magnético. Tu teléfono tiene una «antena» que se sincroniza con el cargador, permitiendo que fluya la corriente eléctrica. Las bobinas electromagnéticas del interior de dispositivos como estos son pequeñas, pero con bobinas más grandes se pueden cargar dispositivos más grandes, como los coches eléctricos.

    Los electroimanes también allanaron el camino para aprovechar realmente el potencial de la electricidad. El motor eléctrico se mueve porque la corriente que fluye desde la red eléctrica o las pilas, produce un campo magnético. No es la propia electricidad la que impulsa el motor, sino la fuerza creada por el electroimán. La fuerza del imán crea un movimiento de rotación, lo que significa que giran alrededor de un punto fijo, de forma similar a como gira un neumático alrededor de un eje.

    De los electrodomésticos pasamos a algunas de las máquinas más complejas jamás construidas para ver cómo se utilizan los electroimanes para desentrañar los orígenes del universo. Los aceleradores de partículas son máquinas que impulsan partículas cargadas entre sí a velocidades increíblemente altas para observar lo que ocurre cuando chocan.

    Estos haces de partículas subatómicas son muy precisos y, controlar su trayectoria, es fundamental para que no se desvíen y dañen la maquinaria. Aquí es donde entran en juego los electroimanes. Los imanes generados eléctricamente se colocan a lo largo de la trayectoria de los haces que colisionan, y su magnetismo se utiliza para controlar su velocidad y trayectoria.

    Colisionador de Hadrones - Compact Muon Solenoid
    Colisionador de Hadrones – Compact Muon Solenoid

    Desde algo que puedes crear en tu propia casa, hasta el funcionamiento de las herramientas y dispositivos que utilizan los científicos e ingenieros para descifrar los orígenes del universo, los electroimanes cumplen un papel muy importante en el mundo que nos rodea.

    Experimentos con electroimanes

    ¿Cómo hacer un electroimán casero? Los electroimanes son bastante fáciles de fabricar; puedes hacer un electroimán súper potente en menos de media hora. Basta con unas pocas piezas adquiridas en la ferretería y una fuente de alimentación.

    Necesitarás los siguientes elementos:

    • Un clavo de hierro grande, de aproximadamente 3 pulgadas (8 centímetros) de largo.
    • Aproximadamente 3 pies (91 centímetros) de cable de cobre.
    • Una pila o batería nueva.
    • Un pelador de cables.
    • Cinta adhesiva.
    • Pequeños objetos de metal, como clips o chinchetas.

    Esto es lo que hay que hacer:

    1. Envuelve el cable de cobre alrededor del clavo, empezando por la cabeza del mismo. Deja unos 20 centímetros de cable suelto y empieza a envolverlo alrededor del clavo. Intenta envolver el alambre con fuerza, pero tratando de no encimarlo. Deja otros 20 centímetros de alambre sueltos en el otro extremo del clavo.
    2. Utilizando el pelacables, retira aproximadamente 3 centímetros (1 pulgada) del aislante de plástico de cada extremo del cable.
    3. Conecta un extremo expuesto del cable al terminal positivo de la batería y el otro extremo al terminal negativo, sin importar cuál lado en cada terminal. Pegue el cable a los terminales con cinta adhesiva. Los extremos del cable pueden calentarse al tocar los terminales de la batería, así que asegúrate de tener cuidado al pegarlos.
    4. Coloca la punta del clavo cerca de los pequeños objetos magnéticos, como clips o chinchetas. Tu electroimán debería ser capaz de atraerlos y levantarlos.

    Algunos experimentos más

    Ya vimos uno de los experimentos más sencillos que se pueden hacer para construir un electroimán, veamos ahora algunas variaciones al mismo experimento.

    ¿Cuál es la potencia magnética de una sola bobina enrollada alrededor de un clavo? ¿De 10 vueltas de cable? ¿De 50 vueltas?

    Experimenta con diferentes números de espiras y observa lo que ocurre. Una forma de medir y comparar la «fuerza» de un imán es ver cuántos clips o chinchetas es capaz de levantar.

    ¿Cuál es la diferencia entre un núcleo de hierro y uno de aluminio para el electroimán?

    Por ejemplo, puedes buscar algo similar a un clavo, pero de aluminio, o enrollar un poco de papel de aluminio de cocina bien apretado y usarlo como núcleo para tu imán en lugar del clavo. ¿Qué ocurre? ¿Y si utilizas un núcleo de plástico, como el cuerpo de un bolígrafo?

    ¿Cómo sé que realmente existe un campo magnético? ¿Lo puedo ver?

    Puede observar que existe, y la forma del campo magnético, utilizando limaduras de hierro. Compre limaduras de hierro o encuentre sus propias limaduras de hierro pasando un imán por la arena del patio o de la playa. Ponga una ligera capa de limaduras en una hoja de papel y coloque el papel sobre un imán. Golpee ligeramente el papel y las limaduras se alinearán con el campo magnético, permitiéndole ver su forma.

    Preguntas frecuentes sobre electroimanes

    ¿Cómo se fabrica un electroimán?

    Sencillo electroimán con clavo

    Usted mismo puede fabricar un electroimán sencillo utilizando materiales que probablemente tenga por casa. Un cable conductor, normalmente de cobre aislado, se enrolla alrededor de una varilla metálica. El cable se calentará al tacto, por eso es importante el aislamiento. La varilla en la que se enrolla el alambre se llama solenoide, y el campo magnético resultante se irradia desde este punto. La fuerza del imán está directamente relacionada con el número de veces que el alambre se enrolla alrededor de la varilla. Para obtener un campo magnético más intenso, el alambre debe estar más enrollado.

    ¿Qué es un electroimán y cómo funciona?

    Electroimán: Campos magnéticos

    Los electroimanes crean un campo magnético mediante la aplicación de electricidad. Cuando se introduce la corriente, ya sea de una batería o de otra fuente de electricidad, ésta fluye a través del cable. Esto crea un campo magnético alrededor del cable enrollado, magnetizando el metal como si fuera un imán permanente.
    Los electroimanes son útiles porque se puede encender y apagar el imán completando o interrumpiendo el circuito eléctrico, respectivamente.

    ¿Cuáles son las principales características de los electroimanes?

    Funcionamiento del timbre eléctrico con electroimán

    Una característica clave es que un electroimán tiene un campo magnético, pero sólo cuando la corriente eléctrica está fluyendo. Se utilizan en situaciones en las que los imanes normales o permanentes no tendrían ningún sentido o utilidad.
    Además, otra característica importante de los electroimanes es que se puede controlar su fuerza que ejercen con solo aumentar o disminuir la cantidad de electricidad que fluye alrededor del núcleo ferromagnético.

    ¿Qué es un solenoide?

    ¿Qué es un solenoide? - Aplicación

    Un solenoide es otra forma de electroimán. Es un tubo electromagnético que se utiliza generalmente para mover linealmente una pieza de metal. Los solenoides se utilizan en todo tipo de lugares, especialmente en las cerraduras. Si su coche tiene cerraduras eléctricas, es posible que funcionen con un solenoide. También se utiliza un solenoide en el brazo móvil de un disco duro (ver imagen).


    Experimente con un solenoide

    Busque un sorbete (popote) para beber o un bolígrafo viejo (quite el tubo de tinta). Encuentra también un clavo pequeño (o un clip enderezado) que se deslice fácilmente dentro del tubo. Enrolle 100 vueltas de alambre alrededor del tubo. Coloca el clavo o el clip en un extremo de la bobina y conéctela a una pila. ¿Notas cómo se mueve el clavo? Otra cosa que se suele hacer con un solenoide es sustituir el clavo por un imán permanente delgado y cilíndrico. De este modo, puede mover el imán hacia dentro y hacia fuera cambiando la dirección del campo magnético en el solenoide. Tenga cuidado si intenta colocar un imán en el solenoide, ya que el imán puede salir disparado.