El Electroimán
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El electroimán , también llamado electromagneto , es un elemento electrotécnico que consta de un núcleo de material ferromagnético (generalmente hierro dulce) en el que se enrolla un solenoide , es decir, una bobina de muchas vueltas de cable eléctrico. La finalidad del electroimán es generar un campo magnético a partir de una corriente eléctrica y para ello se diferencia del inductor , donde se aprovecha el fenómeno de la inductancia para acumular energía .
El primer electroimán fue construido en 1824 por el ingeniero británico William Sturgeon (1783 - 1850), como consecuencia directa de las relaciones entre corrientes y magnetismo descubiertas por Hans Christian Ørsted en 1820. Papel fundamental en el estudio y desarrollo de este dispositivo eléctrico Esto se lo debe al físico estadounidense Joseph Henry .
Características
La intensidad del campo magnético generado se puede calcular con las reglas de inducción magnética y esencialmente:
es proporcional al número de vueltas que componen el devanado. El aumento en el número de vueltas y por tanto en la longitud del hilo, sin embargo, reduce la corriente circulante (con el mismo voltaje ) como consecuencia de la ley de Ohm , para superar el problema es necesario aumentar la sección del cable para reducir su resistencia eléctrica
es proporcional a la corriente que circula en el devanado , el cruce de corriente genera calor producido por el efecto Joule , por lo que debe remediarse con eliminación.
En cuanto a la fuerza desarrollada por el campo magnético, su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia entre las partes, por lo que el electroimán es efectivo solo a corta distancia.
Si la bobina se alimenta con una corriente variable, el campo magnético es en sí mismo variable y también lo es la fuerza producida.
Ésta es la base del funcionamiento de los altavoces magnetodinámicos habituales .
Al calcular electroimanes con corrientes variables, también debe tenerse en cuenta el efecto de la inductancia a diferentes frecuencias . Además, para evitar la formación de corrientes parásitas en el núcleo, este se realiza con láminas delgadas en lugar de un bloque compacto, exactamente como en el transformador .
Electroimanes con Intensidades de campo elevadas
En algunas aplicaciones, como la aceleración de partículas elementales , levitación magnética , resonancia magnética nuclear y más, es necesario contar con campos magnéticos de intensidad excepcional. Para ello, se utilizan dos categorías de electroimanes:
Super electroimanes clásicos
Se trata de electroimanes construidos con conductores normales, pero para producir campos intensos se deben superar algunos problemas:
el calor producido por el efecto Joule puede ser muy elevado y se elimina utilizando tubos de cobre como cables conductores por cuyo interior se hace circular el agua de refrigeración. El uso de conductores huecos también es óptimo considerando el efecto piel que induce a los electrones a moverse sobre la superficie del cable inutilizando la parte más interna.
las fuerzas electromagnéticas repulsivas entre las bobinas pueden ser tan intensas que el solenoide explota. Por lo tanto, la construcción debe ser muy sólida, con las bobinas comprimidas mediante fuertes pernos y placas de metal.
la saturación de los materiales ferromagnéticos pone un límite al campo máximo transferible de ellos. Por esta razón, el campo magnético producido por un súper electroimán se explota directamente en el corazón de la bobina. El campo producido en el interior de la bobina puede ser durante breves periodos incluso mucho más intenso que el que se puede producir con imanes superconductores.
Por las razones enumeradas, los electroimanes no superconductores son adecuados donde se requieren campos magnéticos impulsivos y no permanentes.
Electroimanes superconductores
Estos dispositivos se basan en el fenómeno de la superconductividad por el cual algunos metales pierden completamente su resistencia eléctrica a temperaturas cercanas al cero absoluto , perdiendo así la pérdida de energía debido al efecto Joule . Algunas aleaciones son capaces de presentar el mismo fenómeno en temperaturas más prácticos, alrededor de 100 K . Estos electroimanes consisten en una o más bobinas de cable superconductor sumergidas en un refrigerante, en el que se induce una corriente muy alta, que luego permanece durante mucho tiempo, produciendo un campo magnético constante. La fuerza máxima de campo magnético que se puede producir es de varios teslas , generalmente hasta 15 o 20.
La principal limitación de estos sistemas es el propio campo magnético, que más allá de cierto umbral provoca la desaparición del efecto superconductor.
Los imanes superconductores se utilizan en aceleradores de partículas como el ' LHC del CERN .
Usos
Los electroimanes se usan en aplicaciones en las que se necesita un campo magnético variable. Estas aplicaciones pueden implicar 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 rieles. 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 usado más a menudo debido a su relativo bajo costo, en ocasiones se emplea aluminio para reducir el peso.
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 necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el campo. En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes suelen ser superiores. Además, es posible fabricar imanes permanentes que producen campos magnéticos más fuertes que un electroimán de tamaño similar.
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