Fisica magnetismo

 Magnetismo en la biología

Bioelectromagnetismo 

Es una rama de las ciencias biológicas que estudia el fenómeno consistente en la producción de campos magnéticos o eléctricos producidos por seres vivos; estos dos conceptos van fuertemente unidos, ya que toda corriente eléctrica produce un campo magnético. (a veces es denominado parcialmente como bioelectricidad o biomagnetismo).

El Bioelectromagnetismo (BEM) es la ciencia emergente que estudia la forma en que los organismos vivos interactúan con los campos electromagnéticos (EM). Los fenómenos eléctricos se hallan en todos los organismos vivientes. Más aún, existen corrientes eléctricas en el cuerpo que producen campos magnéticos que se extienden fuera del cuerpo. En consecuencia, los organismos pueden verse influidos también por campos magnéticos y electromagnéticos externos. Cambios en los campos naturales del cuerpo pueden producir cambios físicos y de conducta.

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, la formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

Efecto hall

El efecto Hall se produce cuando se ejerce un campo magnético transversal sobre un cable por el que circulan cargas. Como la fuerza magnética ejercida sobre ellas es perpendicular al campo magnético y a su velocidad (ley de la fuerza de Lorentz), las cargas son impulsadas hacia un lado del conductor y se genera en él un voltaje transversal o voltaje Hall (VH).  Edwin Hall (1835 - 1938) descubrió en 1879 el efecto, que, entre otras muchas aplicaciones, contribuyó a establecer, diez años antes del descubrimiento del electrón, el hecho de que las partículas circulan por un conductor metálico tienen carga negativa.

La obtención experimental del voltaje Hall, permite deducir la velocidad de los portadores de carga y su concentración, puesto que, desde que se alcanza la situación estacionaria, la fuerza eléctrica ejercida sobre cada carga (F_e = q·E) se equilibra con la fuerza magnética  [F_m = q·(v x B)]. De ello se deduce  (consultar documento vinculado) que el voltaje Hall es directamente proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético y es inversamente proporcional al número de portadores por unidad de volumen. Por lo tanto, con un sensor de efecto Hall, se puede determinar la fuerza que ejerce un campo magnético si se conoce la corriente a la que se aplica dicho campo, y viceversa.

Si ambos (la fuerza del campo magnético y la corriente) son conocidos, entonces el sensor Hall se puede usar como detector de metales o, más en general, como detector de componentes magnéticos diversos. Así se encuentra este tipo de sensores en circuitos integrados, en impresoras láser, en disqueteras de ordenador, en motores de corriente continua, etc.  La imagen animada adjunta (fuente: Wikipedia) representa un tacómetro formado por un sensor de efecto Hall al que activan dos imanes (cuando cualquiera de ellos se enfrenta al sensor Hall, produce en él un impulso eléctrico). Otra aplicación interesante del efecto Hall es la posibilidad de determinar la velocidad de circulación del flujo sanguíneo, así como la concentración de iones en la sangre. Al aplicar a la corriente sanguínea que fluye por una arteria un campo magnético transversal, el voltaje Hall producido depende de dicha velocidad. Conocida ésta, también se puede calcular la concentración de los iones (desarrollo en este documento). Ley de faraday  La ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente ley de Faraday) establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde: donde: ${\displaystyle {\vec {E}}}$ es el campo eléctrico, ${\displaystyle d{\vec {l}}}$ es el elemento infinitesimal del contorno C, ${\displaystyle {\vec {B}}}$ es la densidad de campo magnético y ${\displaystyle S}$ es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de ${\displaystyle {\vec {dA}}}$ están dadas por la regla de la mano derecha. Esta ley fue formulada a partir de los experimentos que Michael Faradayrealizó en 1831. Esta ley tiene importantes aplicaciones en la generación de electricidad.   Ley de lenz  Ley: “El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce”. La Ley de Lenz plantea que los voltajes inducidos serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía. La polaridad de un voltaje inducido es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por: Donde: Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb). B = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T). S = Superficie del conductor. α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo. Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será: En este caso la Ley de Faraday afirma que el Vε inducido en cada instante tiene por valor: Vε= El valor negativo de la expresión anterior indica que el Vε se opone a la variación del flujo que la produce. Este signo corresponde a la ley de Lenz. Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año 1834. · REGLA DE FLEMING Si el pulgar, el dedo índice y el dedo medio de la mano derecha se coloca en el ángulo recto entre sí, apuntando con el pulgar en la dirección que se mueve el conductor y apuntándose con el índice en la dirección del campo (NaS), el dedo medio apuntara en la dirección convencional de la corriente inducida. Transformadores y su relación con el magnetismo El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Relacion de Transformacion La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada volt de entrada cuántos volts hay en la salida del transformador. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) . La razón de la transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión. Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario ó corriente de salida. Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores. Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

Campo magnético de una bobina 
         
Cuando varias espiras se arrollan para formar una bobina, y la corriente pasa a través del conductor, el campo magnético de cada espira enlaza con el de la siguiente, tal como se muestra en la ilustración.

El campo magnético producido entre dos espiras es similar al producido entre dos conductores paralelos cuyas corrientes fluyen en la misma dirección. La influencia combinada de todas las vueltas produce dos campos paralelos de dos polos, semejantes al de un imán permanente en forma de barra. Tendrá todas las propiedades de un imán permanente en tanto la corriente esté fluyendo.

La líneas de fuerza combinadas a lo largo de todas las espiras, producen dos campos paralelos con dos polos, cuya disposición es similar a la de un imán permanente en barra.




Una inversión en la corriente en el conductor provoca la inversión de la dirección del campo magnético que ella produce. Por lo tanto, la inversión de la corriente produce la inversión de los polos del campo.
Como se ha dicho, aumentando el número de espiras arrolladas (vueltas del conductor), se aumenta el número de líneas de fuerza, y por tanto actúa como un imán más fuerte. Igualmente, el aumento de la corriente que circula por el cable de la bobina, así como la ductilidad del núcleo, también incrementan la fuerza del campo magnético. Por ello, los potentes electroimanes utilizan bobinas de muchas vueltas con núcleos de hierro para aumentar la densidad del flujo, además de soportar toda la corriente que permita el calibre del hilo conductor.
La construcción y disposición física de los componentes del electroimán también son importantes para mejorar el rendimiento. Así, si se dispone el núcleo en forma de herradura, y se utilizan dos bobinas en cada extremo con el cable de ambas arrollado en la misma dirección, los polos magnéticos resultantes serán de distinto signo, y por tanto se atraerán, consiguiéndose una mayor concentración de las líneas de fuerza, que se moverán entre el espacio vacío de ambos polos y por el interior del núcleo. Cuanto más pequeño sea el espacio de aire que hay entre los polos mayor será la densidad de flujo entre ellos.






La disposición en forma de herradura y el arrollado del cable en la dirección correcta, permite una mayor concentración de las líneas de fuerza








Si el arrollado del cable en ambos extremos del núcleo no se realizara en la dirección correcta (con las vueltas siempre en la misma dirección), los polos de los campos magnéticos serían del mismo signo, produciendo repulsión entre ellos. En esta situación el campo magnético entre polos quedaría anulado, y por tanto el electroimán no tendría flujo de líneas de fuerza en el espacio vacío.
La unidad de medida para comparación entre bobinas con núcleos similares es el amperio-vuelta. Es una unidad producto de multiplicar la intensidad de corriente en amperios por el número de vueltas de la bobina.
La fuerza o intensidad del campo de una bobina depende del número de factores. Los principales son:

1. El número de vueltas del conductor
2. El tipo de material del núcleo
3. La relación entre la longitud de la bobina y su anchura
4. La cantidad de corriente que circula por la bobina

El primero de los tres factores es invariable, pues viene fijado en la fabricación de la bobina. El último factor es el que se aplica a los aparatos de medida. La cantidad de corriente que fluye por la bobina es medida por la fuerza del campo magnético producido.

Determinar experimentalmente el campo magnético dentrode una bobina