Corriente y Magnetismo -- Electroimanes

La electricidad y el magnetismo son fenómenos estrechamente relacionados. 

Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, se crea un campo magnético alrededor del mismo. La intensidad del campo disminuye conforme nos alejamos del conductor.

La dirección del campo está dada por la regla de la mano derecha: 

"Si el pulgar de la mano derecha apunta en la dirección en que fluye la corriente, entonces la curvatura del los dedos nos indicará el sentido del campo magnético".

Cuando el conductor toma la forma de una espira circular, el campo magnético tiene una forma tal que las líneas de campo salen por un lado de la espira y entran por el otro, de manera similar a como sucede en un imán permanente.

Al igual que en el imán, tendremos un polo norte (N) que es el extremo por donde salen las líneas de campo, y un polo sur (S), que es el extremo por donde las líneas entran a la espira.

La intensidad del campo magnético depende de la corriente que circula por la espira, pero también depende del número de espiras. Si enrollamos el conductor en muchas espiras en lugar de una sola, la intensidad del campo se multiplica. A este arreglo de muchas espiras se le denomina bobina o solenoide

El campo magnético creado por un solenoide es similar al de un imán permanente:

A continuación mostramos un video donde se muestra un solenoide que interactúa con un imán permanente.

Fuerza de Lorentz en un Líquido

Muchos fenómenos magnéticos se explican por el siguiente hecho:

Cuando una corriente eléctrica fluye en un conductor que está inmerso en un campo magnético, el conductor experimenta una fuerza.

Esta fuerza se conoce como Fuerza de Lorentz. La dirección y sentido de estas tres cantidades se relacionan entre si, ya que son vectores:



En la ecuación anterior, F es la fuerza, q es la carga, E el campo eléctrico, v la velocidad de la corriente y B el campo magnético. En el caso mostrado no tenemos carga q ni campo eléctrico.

Es fácil recordar las direcciones utilizando una regla mnemotécnica conocida como la "regla de la mano izquierda de Fleming", y que se ilustra en la figura. Colocando la mano izquierda como se muestra, si apuntamos el dedo índice en dirección del campo magnético y el cordial o medio en dirección de la corriente, entonces el pulgar nos señalará la dirección en que se produce la  fuerza.

Vamos a mostrar un experimento en el que hacemos fluir una corriente eléctrica en un liquido, y aplicamos un campo magnético al mismo. Este campo magnético interactúa con la corriente en el líquido y se produce una fuerza en el líquido, la cual crea corrientes en el mismo. Veamos el siguiente esquema:

En un recipiente de plástico, colocamos agua con sal. El agua salada conduce la electricidad. El recipiente cuenta con dos terminales que llegan hasta el fondo, de modo que quedan inmersas en el líquido. Aplicamos al mismo un voltaje de 24 volts de corriente directa. De inmediato vemos que se empiezan a formar burbujas en las terminales, producto de la corriente eléctrica que circula por el agua salada. Si ahora colocamos un imán debajo del recipiente, entonces se produce la fuerza de Lorentz, que emerge de la interacción de la corriente I con el campo magnético B.

Si vemos el recipiente desde arriba, la corriente circula de izquierda a derecha, mientras que el campo magnético (no se muestra) viene de abajo hacia arriba (saliendo de la pantalla). Esto genera, según la regla de la mano izquierda, una fuerza en el líquido que va en el sentido mostrado. El líquido se movera de un extremo del recipiente hacia el otro, llegará a la pared y dará la vuelta, con lo que se forman dos remolinos en el recipiente.

Si cambiamos ya sea la dirección de la corriente, o la dirección del campo magnético (dando la vuelta al imán), el sentido de giro de los remolinos se invierte. En el video que se muestra a continuación se observa el efecto:

Motor Lineal o Railgun

El motor lineal conocido como "railgun", basa su funcionamiento en en siguiente hecho:

Cuando una corriente eléctrica fluye en un conductor que está inmerso en un campo magnético, el conductor experimenta una fuerza.


Esta fuerza se conoce como Fuerza de Lorenz. La dirección y sentido de estas tres cantidades se relacionan entre si, ya que son vectores:



En la ecuación anterior, F es la fuerza, q es la carga, E el campo eléctrico, v la velocidad de la corriente y B el campo magnético. En el caso mostrado no tenemos carga q ni campo eléctrico.

Es fácil recordar las direcciones utilizando una regla mnemotécnica conocida como la "regla de la mano izquierda de Fleming", y que se ilustra en la figura. Colocando la mano izquierda como se muestra, si apuntamos el dedo índice en dirección del campo magnético y el cordial o medio en dirección de la corriente, entonces el pulgar nos señalará la dirección en que se produce la  fuerza.

La construcción de nuestro motor es muy simple: sobre un par de imanes se colocan dos alambres conductores que se conectan a una batería. Por encima de estos conductores ponemos un objeto metalico redondo no magnético. Es importante que el objeto no sea magnético para que el imán no lo atraiga y evite que reuede libremente. En este caso usamos una punta de cautín, se puede usar también un pedazo de tubo de cobre.

Conectamos los dos alambres a una batería de 12 volts, a través de una resistencia de 0.5 ohms. La resistencia tiene la función de limitar la corriente ya que de otra manera, se fundirían los cables, pues lo que tenemos es prácticamente un corto circuito.

La corriente que circula por el objeto interactúa con el campo magnético del imán, y en virtud de la fuerza de Lorentz, el objeto se mueve sobre los alambres. Invirtiendo el sentido de la corriente, el objeto se moverá en la dirección contraria. Lo mismo sucede si se voltea el imán. 

A continuación mostramos un video donde se muestra la construcción y funcionamiento de un railgun muy sencillo: