Electroimanes

Una bobina de 200 espiras en 10 cm por la que circulan 2 A produce en su interior un campo de unos 5 mT, unas 100 veces el terrestre.

Una corriente produce un campo magnético

En 1820, el científico danés Hans Christian Oersted observó que la aguja de una brújula se movía cuando circulaba corriente por un cable cercano. Fue la primera señal clara de la relación entre electricidad y magnetismo. Si trazas el campo alrededor de un cable largo y recto con brújulas, verás que las líneas forman círculos alrededor del cable. Su dirección sigue lo que OpenStax llama regla de la mano derecha 2: apunta el pulgar derecho en el sentido de la corriente y los dedos se curvarán en el sentido del campo.

La intensidad disminuye con la distancia: B = μ₀ I ÷ (2π r), donde r es la distancia al cable. La constante μ₀ es la permeabilidad del vacío. Los libros la expresan como 4π × 10⁻⁷ T·m/A; el valor actual del NIST es 1.25663706127 × 10⁻⁶ N/A², que coincide con el anterior con una diferencia inferior a una parte en mil millones. OpenStax pregunta qué corriente produce el doble del campo terrestre, 1.0 × 10⁻⁴ T, a 5.0 cm de un cable. La respuesta es I = 2π r B ÷ μ₀ = 25 A. Los topógrafos conocen bien este efecto: los tendidos eléctricos pueden alterar las lecturas de sus brújulas.

Las bobinas producen campos intensos y uniformes

Dobla el cable formando una espira y los campos de todas sus partes se sumarán en el centro. Enrolla muchas espiras formando una bobina larga, un solenoide, y el campo interior será intenso y casi uniforme, mientras que justo fuera de las espiras será casi cero. Dentro de un solenoide largo, B = μ₀ n I, donde n es el número de espiras por metro, N ÷ L. Más espiras en la misma longitud, o más corriente, producen un campo más intenso. Por fuera, el campo del solenoide tiene la misma forma que el de un imán de barra, con un extremo norte y otro sur.

¿Qué extremo es el norte? Curva los dedos de la mano derecha alrededor de la bobina siguiendo el sentido de la corriente en las espiras; el pulgar apuntará al extremo norte. Si inviertes la corriente, los polos se intercambian. La bobina del laboratorio mide 10 cm de largo. Con 200 espiras y 2 A, n = 2000 por metro y B = 1.2566 × 10⁻⁶ × 2000 × 2 = 5.03 × 10⁻³ T, unos 5 mT, aproximadamente 100 veces los 50 μT que se usan para el campo terrestre. El ejemplo grande de OpenStax es un solenoide de 2.00 m con 2000 espiras por las que circulan 1600 A: n = 1000 por metro y B = 2.01 T, la intensidad de un imán de resonancia magnética. Esa corriente sobrecalentaría el cobre común; por eso los equipos de resonancia magnética usan bobinas superconductoras.

Los núcleos de hierro y los usos de los electroimanes

Coloca un núcleo de hierro dentro de la bobina y el campo de la corriente alineará los dominios del hierro. Así, el hierro también se vuelve un imán y suma su campo al de la bobina. Cuando se necesitan efectos magnéticos intensos, se usan electroimanes con núcleos ferromagnéticos. A diferencia de un imán permanente, un electroimán se puede apagar, intensificar o invertir. Las grúas de los desguaces levantan automóviles con ellos y los sueltan al cortar la corriente. Los aceleradores de partículas los usan para dirigir haces, y los equipos de resonancia magnética sitúan al paciente dentro de una gran bobina superconductora. La resistencia de la bobina impone un límite: si circula demasiada corriente, el cable se sobrecalienta.