Imanes de nuestro día a día (I)

Hace ya un par de semanas os comentaba que tenía un poco abandonado el blog porque tenía que hacer un trabajo. Pues bien, ese trabajo era para el curso de verano “El arte del magnetismo” del que os hablé hace ya un tiempo. El trabajo debía estar centrado, obviamente, en el magnetismo y como lo planteé en plan divulgación, dando ejemplos sencillos y proponiendo algún experimento creo que está bien compartirlo con todos vosotros. Voy a dividir el trabajo en dos artículos diferentes porque en uno solo se haría demasiado largo. En cuanto a los experimentos no hablaré nada aquí de ellos sino que haré una entrada posteriormente en el Museo de la Ciencia recopilando todos. Pedir disculpas de antemano por la aparición de algunas ecuaciones que explican el texto, pero es un trabajo de física y no me queda más remedio. No os asustéis demasiado por ellas porque son solo para entender de donde sale cada cosa y sin ellas el texto se entiende bien igualmente. Comenzamos pues con la primera parte que consta de tres bloques bien diferenciables: Introducción, Imán del microondas e Imán del altavoz.

Introducción

Día tras día estamos utilizando gran variedad de imanes que ni siquiera sabemos que existen. Si preguntamos a cualquier familia que imanes tiene en su casa la respuesta más probable es que te digan que algún imán en la nevera sujetando alguna nota y con algo de suerte un trozo de magnetita o un pedazo más o menos grande de imán con el que jugar a atraer otros metales. Sin embargo existen muchos otros imanes que pasan completamente desapercibidos, pero que hacen que la vida sea tan cómoda y sencilla. En este artículo voy a hablar de dos de estos “olvidados”: el imán del microondas y el imán de un altavoz. Para complementar la explicación de cada uno añadiré también algún experimento para realizar en casa. Para finalizar comentaré algo sobre la analogía de la dinamo con el campo magnético terrestre y el de los púlsares.

Imán del microondas

Explicación teórica
El microondas es, sin duda alguna, uno de los mejores inventos que tenemos en nuestras cocinas. Sirve para cocinar o calentar cualquier alimento de manera rápida y sencilla, y todo el mundo sabe utilizarlo en mayor o menor medida. Sin embargo muy poca gente sabe de verdad cómo funciona un horno microondas y que en su interior tiene un imán gracias al cual puede funcionar.

Para comprender cómo genera calor un microondas debemos partir primero del concepto de ciclotrón. Un ciclotrón es un dispositivo formado por dos semicírculos (también conocidos como “des” debido a su similitud con la letra D) que acelera cargas eléctricas mediante un campo magnético. Aplicando un voltaje determinado a cada una de las des (A y e invirtiendo dicho voltaje varias veces se consigue que la carga vaya de una a otra de manera continua, acelerando en cada viaje. Si la carga (por ejemplo negativa: un electrón) se encuentra en un principio en la A se hace que la B tenga un potencial mayor para que dicha carga tienda a ir desde A hacia B. Si cuando el electrón se encuentra en B se intercambian los voltajes hacemos que la carga vuelva a desplazarse desde B hacia A. En cada sucesivo viaje se consigue que la carga vaya adquiriendo energía.

Si además de las des se coloca un campo magnético creado por un imán de manera que dicho campo sea perpendicular a la superficie de las des, logramos que la carga en lugar de trasladarse de una de a otra siga una línea recta, lo haga en un camino en espiral. Este movimiento acelerado del electrón crea un campo electromagnético con una frecuencia determinada, que es precisamente lo que sucede en nuestros hornos microondas.
Realmente, en el microondas no hay dos des, sino que tenemos un dispositivo llamado magnetrón en el cual se produce todo el proceso de una manera ligeramente diferente al del ciclotrón. En el interior del magnetrón, en una cavidad cilíndrica metálica, se encuentra un filamento de titanio por el que circula una corriente eléctrica. Esta corriente provoca una nube de electrones alrededor del filamento, que al aplicar una elevada diferencia de potencial entre el filamento (cátodo) y la cavidad cilíndrica (ánodo) provoca el movimiento de los mismos. Añadiendo además un campo magnético paralelo al filamento hacemos que los electrones describan un movimiento en espiral hasta llegar finalmente al ánodo. En este trayecto es cuando los electrones emiten la onda microonda que esperamos.

Haciendo unos simples cálculos podemos estimar cuál es el campo magnético creado por el imán del magnetrón, ya que conocemos la frecuencia de funcionamiento de todos los hornos microondas: 2.450 MHz. Para hacer el cálculo necesitamos acudir a la segunda Ley de Newton y a la expresión de la fuerza magnética. Igualando la expresión de la fuerza centrífuga (Fc=mv2/R) a la expresión de la fuerza magnética (Fm=evB) obtenemos la siguiente expresión de la que podemos despejar el radio de la órbita espiral dependiente de la velocidad tangencial del movimiento:

Tomando la expresión de la definición de la frecuencia angular y aplicando la ecuación anterior tenemos la siguiente ecuación:

Como conocemos la carga y la masa del electrón y la frecuencia de funcionamiento del microondas podemos determinar el valor del campo.

Este valor obtenido de 8,75·10-2 T equivale a 875 Gauss, lo cual es 1.750 veces más grande que el valor medio del campo magnético terrestre (unos 0,5 Gauss). Aunque puede parecer mucho, estos 875 Gauss es un valor más bien pequeño ya que actualmente se pueden generar campos mucho mayores con otros imanes permanentes.

Imán del altavoz

Explicación teórica
En todos los altavoces, ya sean del teléfono móvil, del equipo de música o de unos cascos, hay un imán cuya presencia es clave para que podamos escuchar algo.

El funcionamiento de un altavoz es, hasta cierto punto, sencillo. Básicamente es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica para mover una membrana con una frecuencia determinada que hace vibrar el aire a su alrededor y que produce un sonido. Este tipo de dispositivos reciben el nombre de transductores electroacústicos, perteneciendo a este grupo tanto el altavoz como el micrófono, pese a tener finalidades opuestas.

En la transformación de la energía eléctrica a mecánica es donde entra en juego el magnetismo. En un altavoz de cono convencional, un imán permanente se encuentra situado en el centro del mismo generando un campo magnético. Este campo es conducido a través de un circuito magnético gracias a un metal de alta permeabilidad magnética hasta una zona donde este circuito está abierto. Esta zona recibe el nombre de entrehierro.

En el entrehierro se encuentra una bobina por la que se hace circular una corriente eléctrica. La bobina está conectada a su vez a unos resortes unidos a la membrana del altavoz. Dependiendo del voltaje que circule por ella el campo magnético inducido es mayor o menor lo que provocará unos desplazamientos de la membrana de mayor o menor amplitud. Finalmente, estos desplazamientos de la membrana provocarán la onda sonora que oiremos.

Como podemos comprobar fácilmente en casa o en algún automóvil, los altavoces que reproducen muy bien los bajos (bajas frecuencias) producen un desplazamiento enorme en la membrana. Esto es debido a que para generar un sonido grave la frecuencia debe ser baja y por tanto la longitud de onda, que viene a ser la amplitud del altavoz, es mayor.

Bibliografía

Con esto queda finalizada la primera parte. La segunda la tenéis aquí, mientras que los experimentos están en el Museo de la Ciencia.

Saludos

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Sobre el Autor:

Físico de materiales, nacido en El Bierzo y adoptado en tierras asturianas y vascas durante su paso por la Universidad de Oviedo y la Universidad del País Vasco. [...]

9 Comentarios

  • Muy buena entrada Wis. Estoy deseando ver la de los experimentos en el Museo.

  • Gracias Carlos.

    Los experimentos son bastante curiosos y/o divertidos, a la par que son útiles para entender la teoría. Espero que los hagáis, eh?? xDD

  • muy interesante lo de los altavoces,es curioso ver al final que el funcionamiento de la mayoria de los aparatos se basa en mecanismos muy sencillos.

  • Pues sí, muchas veces cosas tan sencillas como esas son las que haces funcionar grandes máquinas o aparatos. Cosas que tiene la ciencia. :roll: :roll:

  • Artículo corto y entretenido. Lo del microondas está muy bien explicado, solo te faltó poner las ecuaciones de potencial y resolverlas para obtener la función de la onda EM :mrgreen: :mrgreen:

    PD: ¿Tú no ibas a hacer el trabajo de energía nuclear?

  • Fooly, tampoco hay que forzar tanto la máquina, que pretende ser un artículo de divulgación. :mrgreen: :mrgreen:

    Sí, iba a hacerlo de energía nuclear, pero ya tenía casi la mitad hecho de todas estas cosas así que me decanté por esto. Por cierto, podías colgar tu trabajo también, o que??

  • @Wis_Alien:

    Me lo estoy pensando. Lo que pasa es que tiene muchisimos apartados y se haría largo largo.

    Pese a ello voy mirar ahora a ver si lo subo en trocicos como tú.

  • Coño, interesante… No sabía cómo funcionaba el microondas, y ahora creo que veo por dónde van los tiros. Entonces, si lo he pillado bien: ¿las microondas son “como” la Bremsstrahlung que emite la radiación beta al chocar contra un material denso? Quiero decir, en cuanto al concepto: ya sé que las características de la onda son diferentes…

  • Nunca había oído nada sobre la Bremsstrahlung :???: :???: Por lo que pone en Wikipedia la radiación que emite un sincrotrón se la puede considerar de este tipo, pero aunque el sistema es similar, desconozco si se puede aplicar también al microondas.

    De todas maneras no se emite radiación beta ni se choca contra un material denso. Simplemente se produce una onda electromagnética debido al movimiento de una carga (electrón).

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