Electroimán: ELECTROIMÁN

¿Qué es un electroimán?

Un electroimán es un tipo particular de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Tal efecto se consigue mediante el contacto de dos metales; uno en estado neutro y otro formado por un cable enrollado sobre el primero y atravesado por dicha corriente.
El tipo más simple de electroimán es un simple trozo de alambre enrollado formando una bobina. Una bobina con forma de tubo recto de dos formas (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce) dentro de la bobina.

Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético inductor aumentan su tamaño. Este aumento de tamaño se explica por las características de las paredes de Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuya dirección de los dipolos no coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina y dependiendo de la histéresis del material, el campo permanecerá más o menos tiempo despues de cesar la corriente del electroimán.

La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. Se encuentra, por ejemplo, histéresis magnética si al magnetizar un ferromagneto éste mantiene la señal magnética tras retirar el campo magnético que la ha inducido. También se puede encontrar el fenómeno en otros comportamientos electromagnéticos, o los elásticos.

Hay muchos materiales cristalinos que presentan ferromagnetismo como el hierro, cobalto, níquel, gadolinio, disprosio, así como compuestos de varios elementos tales como: MnAs,
MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe23, CuOFe2O3, MgOFe23, EuO, Y3Fe5O12.
Los campos magnéticos generados por bobinas, de cable se orientan según la regla de la mano derecha.

Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente que circula por la bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El lado del imán del que salen las líneas del campo se define como «polo norte».

Además, dentro de la bobina se crearán corrientes inducidas cuando éstas están sometidas a un flujo variable. Estas corrientes son llamadas corrientes de Foucault y en general, son indeseables, puesto que calentarán el núcleo y aparecerá una pérdida de potencia en forma de calor.

Historia del electroimán:

El primer electroimán en el mundo, que William Sturgeon exhibió el 23 de mayo de 1825 en la Sociedad Británica de Oficios, era una barra laqueada de hierro de 30 cm de largo y 1,3 cm de diámetro, doblada en forma de herradura y cubierta de una capa de alambre de cobre no

aislado. Se alimentaba de una fuente química.

Pesaba 200 gr, sosteniendo en suspensión 3600 gr. Era mucho más potente que los imanes naturales de igual peso por lo que fue un logro admirable para aquellos tiempos.

Joule (en cuyo honor se denominó la unidad de energía), discípulo de Sturgeon, haciendo experimentos con el primer imán de su maestro, logró aumentar la fuerza de sustentación hasta 20 kg. Ese acontecimiento tuvo lugar en el mismo año: 1825.

Sturgeon no estaba dispuesto a perder la primacía en la explotación de su invento y comenzó una carrera por la fabricació

n del electroimán más potente. En 1830, por su encargo, se fabricó un electroimán capaz de levantar 550 kg.

Para aquel tiempo apareció en ultramar un adversario muy serio de Sturgeon. En abril de 1831, Henry, profesor de la Universidad de Yale (en cuyo honor se denominó la unidad de inductancia), construyó un electroimán que pesaba 300 kg y levantaba 1 t, aproximadamente.

Todos aquellos imanes, según su diseño, eran barras en forma de herradura con alambre devanado. En noviembre de 1840 Joule creó un imán de construcción propia: un tubo de acero de paredes gruesas cortado a lo largo del eje por debajo del diámetro. La fuerza de sustentación de ese imán resultó muy grande: siendo el propio imán bastante compacto, levantaba 1,3 t.

Al mismo tiempo, Joule diseñó un imán de construcción absolutamente nuevo: la carga que se atraía estaba sometida a la acción no de dos polos, como siempre, sino de muchos más, lo que permitió aumentar considerablemente la sustentación. Ese imán pesaba 5,5 kg y mantenía en suspensión 1,2 t. Los electroimanes aparecieron en gran número en laboratorios físicos, salones aristocráticos y consultorios médicos. Empezaron a utilizarlos incluso en fábricas de confección (en las máquinas) y en Sociedades filarmónicas (como elemento del "órgano magnético").

En 1869 los imanes se utilizaban ya ampliamente para el accionamiento de telares Jacquard y el punzonado de orificios en placas metálicas.

Poco después de haberse construido unos cuantos grandes imanes má

s y todos se hubieran convencido de que eran potentes, seguros, compactos y cómodos, se propuso utilizar los electroimanes para levantar piezas de hierro y de acero en fábricas metalúrgicas y de maquinado de metales.

En Rusia, la Sociedad de tranvías de caballo y ómnibus utilizaba hasta la Revolución imanes para limpiar de clavos de hierro la avena con que se alimentaban los caballos. En Europa y América, los imanes se empleaban ampliamente en molinos para la limpia del grano.

En los años treinta del pasado siglo se construyó uno de los imanes más grandes para un dispositivo por medio del cual se destruía la fundición defectuosa. En ese dispositivo se utilizaba como peso un martinete de hierro de 20 t. En este caso el electroimán tiene grandes ventajas, puesto que al llegar el momento de arrojar el martinete éste se suelta, girando simplemente un interruptor. Al poco tiempo se fabricaron imanes más grandes aún, capaces de levantar 50 t. La potencia de los imanes crecía a grandes pasos.

Para la construcción de un electroimán básico necesitamos:

- 1 Tornillo
- Bobina de cable
- Una fuente de alimentación (Batería, pilas, etc.…)
- Cinta adhesiva
- Objetos de hierro para probarlo

Para la construcción retiramos unos 2 o 3 centímetros de la protección del cable del hilo. A continuación enrollamos el cable en torno al tornillo y sujetamos los extremos con la cinta adhesiva para que no se nos suelten las puntas del hilo. Hay que dejar esas puntas un poco largas a fin de que sea más fácil su conexión con la fuente de alimentación quedando algo parecido a:

A continuación conectamos los extremos a la fuente de alimentación y obtenemos nuestro electroimán. Según la fuente de alimentación y el numero de vueltas que le demos al alambre, nuestro electroimán será mas o menos “poderoso”.
Ejemplos de electroimanes caseros:

Electroimán e imán permanente:

La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesitan unas fuentes continuas de energías eléctricas para mantener el campo.

Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del material, llamados dominios magnéticos se alinean con el campo aplicado, haciendo que la fuerza del campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios terminarán alineándose, condición que se denomina saturación. Cuando el núcleo se satura, un mayor aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente pequeño del campo magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden realinearse por sí mismo. En este caso, parte del campo magnético original persistirá incluso después de que se retire la corriente, haciendo que el núcleo se comporte como un imán permanente. Este fenómeno, llamado remanencia, se debe a la histéresis del material, de la que anteriormente hemos hablado. Aplicar una corriente alterna decreciente a la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su punto de Curie reorientará los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.

En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes suelen ser superiores. Adicionalmente, éstos pueden ser fabricados para producir campos magnéticos más fuertes que los electroimanes de tamaños similares.

Fuerza sobre los materiales ferromagnéticos

Calcular la fuerza sobre materiales ferromagnéticos es, en general, bastante complejo. Esto se debe a las líneas de campo de contorno y a las complejas geometrías. Puede simularse usando análisis de elementos finitos. Sin embargo, es posible estimar la fuerza máxima bajo condiciones específicas. Si el campo magnético está confinado dentro de un material de alta permeabilidad, como es el caso de ciertas aleaciones de acero, la fuerza máxima la obtenemos de:

Donde:
F es la fuerza en newtons;
B es el campo magnético en teslas
A es el área de las caras de los polos en m²;
μo es la permeabilidad del espacio libre.
En el caso del espacio libre (aire), , siendo la fuerza por unidad de área (presión):
, para B = 1 tesla
, para B = 2 teslas

En un circuito magnético cerrado:

Donde:

N es el número de vueltas del cable en torno al electroimán.
I es la corriente en amperios.
L es la longitud del circuito magnético.
Sustituyendo, se obtiene:

Por su fuerza se usan para levantar contenedores de más de 25 Toneladas más el peso de la carga y vehículos.

Para construir un electroimán fuerte, se prefiere un circuito magnético corto con una gran superficie. La mayoría de los materiales ferromagnéticos se saturan sobre 1 a 2 teslas. Esto sucede a una intensidad de campo de 787 amperios por vueltas/metro.

Por esta razón, no hay motivos para construir un electroimán con una intensidad de campo mayor. Los electroimanes industriales usado para levantar peso se diseñan con las caras de ambos polos en un lado (el inferior). Eso confina las líneas de campo para maximizar el campo magnético. Es como un cilindro dentro de otro. Muchos altavoces usan una geometría parecida, aunque las líneas de campo son radiales al cilindro interior más que perpendiculares a la cara.

Reluctancia

La reluctancia magnética de un material, es la resistencia que éste posee al verse influenciado por un campo magnético. Se define como la relación entre la fuerza magnetomotriz (f.m.m.) (la unidad del SI es el amperio, aunque a menudo se la llama amperio vuelta) y el flujo magnético (SI: weber). El término lo acuñó Oliver Heaviside en 1888.
La reluctancia R de un circuito magnético uniforme se puede calcular como:

Donde:
R -> reluctancia, medida en amperio vuelta por weber ( A v/Weber ). Esta unidad es equivalente al inverso del Henrio (H-1) multiplicado por el número de espiras.
l -> longitud del circuito, medida en metros.
μ -> permeabilidad magnética del material, medida en H/m (henrio/metro).
A -> Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético), en metros cuadrados.

Dispositivos que usan electroimanes

Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo magnético variable rápida o fácilmente. Muchas de estas aplicaciones implican la deflexión de haces de partículas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catódicos y el espectrómetro de masas.

Tubo de rayos catódicos:

Espectrómetro de masas:

Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en los frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los frenos electromagnéticos se adhieren directamente a los raíles

Frenos magnéticos:

Se usan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar magnéticamente metales en chatarrerias y centro de reciclado Los trenes de levitación magnética usan poderosos electroimanes para flotar sin tocar las vías sobre las que circulan.

Los electroimanes se usan en los motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que impulse la armadura. Aunque el platino es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es el usado más a menudo debido a su bajo coste, y a veces se emplea aluminio para reducir el peso.

Motor eléctrico