Electroimán

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Es producido mediante el contacto de dos metales; uno en estado neutro y otro hecho por cables e inducido en electricidad.

Fue inventado por el electricista británico William Sturgeon en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Sturgeon demostró su potencia levantando 4 kg con un trozo de hierro de 200 g envuelto en cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.

Introducción

La corriente (I) fluyendo por un cable produce un campo magnético (B) en torno a él. El campo se orienta según la regla de la mano derecha.

El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado. 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. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.

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 «polos nortes».

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

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. 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. Adicionalmentes, esto pueden ser fabricados para producir campos magnéticos más fuertes que los electroiman de tamaños similar.

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 deflección de haces de partículas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catódicos y el espectrómetro de masa.

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. Se usan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar magnéticamente metales en chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación magnética usan poderosos electroimanes para flotar sin tocar la pista. Algunos trenes usan fuerzas atractivas, mientras otros emplean fuerzas repulsivas.

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 la plata 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.

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 viene dada por:

$F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{o}}}$

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;
• $\mu _{o}$ es la permeabilidad magnética del espacio libre.

En el caso del espacio libre (aire), $\mu _{o}=4\pi \cdot 10^{-7}\,{\mbox{H}}\cdot {\mbox{m}}^{-1}$, siendo la fuerza por unidad de área (presión):

$P\approx 398\,\mathrm {kPa}$, para B = 1 tesla

$P\approx 1592\,\mathrm {kPa}$, para B = 2 teslas

En un circuito magnético cerrado:

$B={\frac {\mu NI}{L}}$

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:

$F={\frac {\mu N^{2}I^{2}A}{2L^{2}}}$

Por su fuerza se usan para levantar contenedores de más de 25 Toneladas mas 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 $H\approx$ 787 amperios×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.

Patentes

• Patente USPTO n.º 427606

Véase también

• Electromagnetismo
• Dipolo magnético, electroimán usado en los aceleradores de partículas
• Cuadripolo magnético, electroimán usado en los aceleradores de partículas
• Imán superconductor, electroimán que usa bobinas superconductoras
• Aplicaciones de la electricidad
• Electricidad