Física y Química 3.º ESO · Electromagnetismo: la experiencia de Oersted
La experiencia de Oersted: la corriente eléctrica crea magnetismo
Objetivo: Al terminar, sabrás describir la experiencia de Oersted, explicar por qué una corriente eléctrica desvía la aguja de una brújula, predecir hacia dónde gira la aguja cuando cambian el sentido de la corriente o la posición del cable, y explicar qué es un electroimán y para qué sirve.
Explicación
Un descubrimiento en mitad de una clase (1820)
Hasta principios del siglo XIX, la electricidad y el magnetismo se estudiaban por separado: se pensaba que no tenían nada que ver. En 1820, el profesor danés Hans Christian Oersted preparaba una demostración para sus alumnos con una pila y un cable. Cerca había una brújula. Al hacer pasar corriente por el cable, vio que la aguja de la brújula se movía.
Era la primera prueba de que electricidad y magnetismo están relacionados. Hoy los estudiamos juntos con el nombre de electromagnetismo.
La experiencia, paso a paso
Montaje: una brújula sobre la mesa (su aguja señala el norte); un cable recto colocado encima de la aguja y paralelo a ella (en dirección norte-sur); los extremos del cable se conectan a una pila a través de un interruptor.
| Lo que hacemos | Lo que le pasa a la aguja |
|---|---|
| Interruptor abierto: no pasa corriente | Señala el norte, como siempre |
| Cerramos el interruptor: pasa corriente | Gira y tiende a ponerse perpendicular al cable |
| Abrimos el interruptor | Vuelve a señalar el norte |
| Damos la vuelta a la pila (la corriente va en sentido contrario) y cerramos | Gira hacia el lado contrario |
| Usamos una pila más potente (más intensidad) o acercamos el cable | Gira más |
¿Cómo se interpreta?
La aguja de una brújula es un pequeño imán: solo gira si hay un campo magnético que la empuje. Como solo gira cuando pasa corriente, concluimos:
Una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético. Es decir, las cargas eléctricas en movimiento producen efectos magnéticos.
- Las líneas del campo magnético son circunferencias alrededor del cable. Lo puedes ver si el cable atraviesa una cartulina con limaduras de hierro: se colocan en círculos.
- El sentido de esas líneas depende del sentido de la corriente. Se obtiene con la regla de la mano derecha: si agarras el cable con la mano derecha y el pulgar apunta en el sentido de la corriente (del polo + al polo − por fuera de la pila), los demás dedos indican el sentido de las líneas de campo.
- El polo norte de la aguja se orienta en el sentido de las líneas de campo.
- El campo es más intenso cuanto mayor es la intensidad y cuanto más cerca está el cable.
Predecir hacia dónde gira la aguja
Con el cable paralelo a la aguja (dirección norte-sur), la regla de la mano derecha da este resultado (vista desde arriba):
| Posición del cable | Sentido de la corriente | El polo norte de la aguja gira hacia… |
|---|---|---|
| Encima de la brújula | Hacia el norte | el oeste |
| Encima de la brújula | Hacia el sur | el este |
| Debajo de la brújula | Hacia el norte | el este |
| Debajo de la brújula | Hacia el sur | el oeste |
Fíjate en la regla práctica: cada cambio invierte el giro. Si cambias el sentido de la corriente, gira al otro lado; si pasas el cable de encima a debajo, también; si haces los dos cambios a la vez, gira hacia el mismo lado que al principio.
El electroimán
Si enrollamos el cable formando una bobina (muchas vueltas o espiras), los campos de todas las espiras se suman y la bobina se comporta como un imán de barra, con polo norte y polo sur. Si dentro de la bobina ponemos un núcleo de hierro (por ejemplo, un clavo), el campo se hace mucho más intenso. Eso es un electroimán.
Un electroimán tiene dos ventajas sobre un imán normal:
- Se enciende y se apaga: solo es imán mientras pasa corriente.
- Su fuerza se puede regular: es más fuerte con más intensidad y con más espiras.
Si se invierte el sentido de la corriente, se intercambian sus polos norte y sur.
Aplicaciones: grúas que levantan chatarra, el abrepuertas del portero automático, timbres, relés, altavoces y auriculares, motores eléctricos, trenes de levitación magnética y los aparatos de resonancia magnética de los hospitales.
Unos años después, en 1831, Michael Faraday descubrió el efecto contrario: un imán que se mueve dentro de una bobina produce corriente eléctrica. En eso se basan los generadores de las centrales eléctricas.
Puntos clave
- Oersted (1820) observó que una corriente eléctrica desvía la aguja de una brújula: fue la primera prueba de la relación entre electricidad y magnetismo.
- Una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético; sus líneas son circunferencias alrededor del cable.
- Sin corriente no hay desviación; al invertir la corriente, la aguja gira hacia el lado contrario.
- Cuanto mayor es la intensidad y más cerca está el cable, mayor es el efecto.
- Cambiar el sentido de la corriente o pasar el cable de encima a debajo de la brújula invierte el giro de la aguja.
- Un electroimán es una bobina con núcleo de hierro: solo es imán mientras pasa corriente y su fuerza se puede regular.
Errores frecuentes
ErrorPensar que la aguja se mueve porque el cable es de metal y la atrae.
Cómo corregirloCon el interruptor abierto el cable es el mismo y está en el mismo sitio, y la aguja no se mueve. Lo que cuenta es que pase corriente. Además, el cobre no es magnético.
ErrorCreer que el que desvía la aguja es la pila, que actuaría como un imán.
Cómo corregirloAunque alejes la pila y dejes solo el cable junto a la brújula, la aguja se sigue desviando. Y con el circuito abierto, la pila no la mueve.
ErrorDecir que la aguja gira siempre hacia el mismo lado.
Cómo corregirloEl sentido del giro depende del sentido de la corriente y de si el cable está encima o debajo. Cada uno de esos cambios invierte el giro.
ErrorPensar que un electroimán sigue siendo imán después de cortar la corriente.
Cómo corregirloCon núcleo de hierro dulce, al cortar la corriente deja de ser imán casi del todo. Por eso la grúa de un desguace suelta la chatarra cuando se apaga el electroimán.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. Repetimos la experiencia de Oersted experimental (de laboratorio)
En el laboratorio colocamos una brújula sobre la mesa y, encima de ella, un cable recto paralelo a la aguja. Conectamos el cable a una pila de 4,5 V a través de un pulsador. a) ¿Qué observamos al pulsar? ¿Y al soltar? b) ¿Qué ocurre si damos la vuelta a la pila y volvemos a pulsar? c) ¿Qué conclusión sacamos?
Resolución
a) Al pulsar, pasa corriente por el cable y la aguja gira, tendiendo a ponerse perpendicular al cable. Al soltar, deja de pasar corriente y la aguja vuelve a señalar el norte.
b) Al dar la vuelta a la pila, la corriente recorre el cable en sentido contrario y la aguja gira hacia el otro lado.
c) La aguja solo gira cuando hay corriente, y el sentido del giro depende del sentido de la corriente. Por tanto, la corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor, y el sentido de ese campo depende del sentido de la corriente.
Ejemplo 2. ¿Hacia dónde girará la aguja? predicción razonada
Un cable recto está colocado encima de una brújula, paralelo a la aguja, y la corriente va de sur a norte. Se observa que el polo norte de la aguja gira hacia el oeste. Predice hacia dónde girará en estos casos: a) la corriente va de norte a sur (cable encima); b) el cable se pasa debajo de la brújula y la corriente va de sur a norte; c) el cable está debajo y la corriente va de norte a sur; d) se abre el interruptor.
Resolución
Usamos la regla «cada cambio invierte el giro», partiendo de la situación inicial (cable encima, corriente hacia el norte → oeste):
a) Un cambio (sentido de la corriente) → gira hacia el este.
b) Un cambio (posición del cable) → gira hacia el este.
c) Dos cambios (posición y sentido): se compensan → gira hacia el oeste, como al principio.
d) Sin corriente no hay campo magnético del cable: la aguja vuelve a señalar el norte.
Ejemplo 3. El electroimán de una planta de reciclaje situación real (aplicación)
En las plantas donde se clasifican los envases del contenedor amarillo, como las del Parque Tecnológico de Valdemingómez (Madrid), una cinta transporta los envases por debajo de un gran electroimán. Las latas de acero (las de conservas, por ejemplo) quedan pegadas a él y se separan del resto. a) ¿Por qué se usa un electroimán y no un imán normal? b) ¿Se quedan pegadas las latas de refresco de aluminio y los briks? ¿Por qué? c) ¿Qué harías para que el electroimán levantara latas más pesadas?
Resolución
a) Porque el electroimán se puede apagar: cuando las latas de acero ya están fuera de la cinta principal, se corta la corriente (o se las arrastra fuera del campo) y caen en su contenedor. Con un imán normal se quedarían pegadas.
b) No. Un imán, o un electroimán, solo atrae con fuerza al hierro, al acero (que es casi todo hierro), al níquel y al cobalto. El aluminio, el plástico y el cartón no son atraídos y siguen por la cinta.
c) Hacerlo más fuerte: aumentar la intensidad de la corriente o aumentar el número de espiras de la bobina (y que tenga núcleo de hierro).
Ejercicios
De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.
1. Fácil
Completa la tabla indicando qué hace la aguja de la brújula en cada paso de la experiencia de Oersted (el cable está encima de la aguja y paralelo a ella).
Paso ¿Qué hace la aguja? 1. Interruptor abierto 2. Se cierra el interruptor 3. Se vuelve a abrir 4. Se da la vuelta a la pila y se cierra Ver solución
1. Señala el norte. 2. Gira (tiende a ponerse perpendicular al cable). 3. Vuelve al norte. 4. Gira hacia el lado contrario que en el paso 2.
- Sin corriente, solo actúa el magnetismo terrestre: la aguja señala el norte.
- La corriente crea un campo magnético que hace girar la aguja.
- Sin corriente desaparece ese campo: vuelve al norte.
- La corriente va en sentido contrario, el campo también, y la aguja gira hacia el otro lado.
2. Fácil
Di si son verdaderas o falsas y corrige las falsas: a) La aguja de la brújula se desvía porque el cable de cobre la atrae. b) Una corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor. c) Las líneas del campo magnético de un cable recto son líneas rectas paralelas al cable. d) Si aumentamos la intensidad de la corriente, la aguja se desvía más. e) Un electroimán es imán aunque no pase corriente por él.
Ver solución
a) F. b) V. c) F. d) V. e) F.
a) Falsa. El cobre no es magnético; la aguja se desvía porque la corriente crea un campo magnético. b) Verdadera. c) Falsa. Son circunferencias alrededor del cable. d) Verdadera: el campo es más intenso. e) Falsa. Solo es imán mientras pasa corriente.
3. Media
Un cable recto está colocado encima de una brújula, paralelo a la aguja. Cuando la corriente va de sur a norte, el polo norte de la aguja gira hacia el oeste. ¿Hacia dónde girará: a) si la corriente va de norte a sur y el cable sigue encima; b) si el cable está debajo de la brújula y la corriente va de norte a sur; c) si, en el caso a), duplicamos la intensidad?
Ver solución
a) Hacia el este. b) Hacia el oeste. c) Hacia el este, y se desvía más.
Cada cambio (sentido de la corriente o posición del cable) invierte el giro. a) Un cambio → este. b) Dos cambios → se compensan → oeste. c) Cambiar la intensidad no cambia el sentido del giro (sigue hacia el este), pero el campo es más intenso y la aguja se desvía más.
4. Media
Lucía repite la experiencia de Oersted en casa con una pila, un cable y la brújula de su móvil. Al conectar, la aguja de la aplicación gira un poco. Para que el efecto se vea mejor, ¿qué dos cambios puede hacer en el montaje? Explica por qué funcionan.
Ver solución
Acercar más el cable a la brújula y aumentar la intensidad (pila de más voltaje o cable más corto y grueso). También puede dar varias vueltas al cable.
El campo magnético que crea la corriente es más intenso:
- cuanto más cerca está el cable → acercarlo todo lo posible;
- cuanto mayor es la intensidad → usar una pila de más voltaje.
Otra opción: dar varias vueltas al cable (bobina), porque los campos de las vueltas se suman. (Conectar solo unos segundos: el cable sin receptor calienta la pila.)
5. Difícil
Para que la experiencia de Oersted funcione bien, el cable se coloca paralelo a la aguja (dirección norte-sur). Pablo coloca el cable encima de la brújula pero en dirección este-oeste y, al pasar la corriente, la aguja casi no se mueve. Sabiendo que las líneas del campo del cable son circunferencias a su alrededor, explica por qué.
Ver solución
Justo debajo de un cable este-oeste, el campo que crea la corriente apunta hacia el norte o hacia el sur: en la misma dirección en la que ya está la aguja, así que no la hace girar.
Las líneas de campo rodean al cable, así que justo debajo de él el campo es perpendicular al cable. Si el cable va de este a oeste, el campo debajo de él va en dirección norte-sur, que es la misma dirección en la que ya apunta la aguja. Ese campo la empuja «a lo largo» de sí misma y no la hace girar (como mucho, si apunta al sur y es muy intenso, podría darle la vuelta). Con el cable norte-sur, en cambio, el campo debajo de él va este-oeste, perpendicular a la aguja, y la hace girar con claridad.
Para practicar más
1. Fácil
Responde brevemente: a) ¿Quién realizó la experiencia que relacionó por primera vez electricidad y magnetismo, y en qué año? b) ¿Qué observó? c) ¿Qué conclusión se saca de ella?
Ver solución
a) Oersted, en 1820. b) Que la aguja de una brújula se desviaba al pasar corriente por un cable cercano. c) Que una corriente eléctrica crea un campo magnético.
a) Hans Christian Oersted, en 1820. b) Que la aguja de una brújula situada junto a un cable giraba al pasar corriente y volvía al norte al cortarla. c) Que una corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor: electricidad y magnetismo están relacionados.
2. Fácil
a) ¿Qué es un electroimán? ¿De qué partes consta? b) Escribe dos ventajas de un electroimán frente a un imán normal. c) Nombra tres aparatos de tu casa o de tu edificio que funcionen con electroimanes.
Ver solución
a) Una bobina de cable con núcleo de hierro por la que pasa corriente. b) Se puede encender y apagar, y su fuerza se puede regular. c) Por ejemplo: timbre, abrepuertas del portero automático, altavoces o auriculares, motor de la lavadora.
a) Es un imán que funciona con corriente eléctrica. Consta de una bobina (cable enrollado en muchas espiras), un núcleo de hierro dentro de ella y un generador que hace pasar corriente. b) Se enciende y se apaga con la corriente, y su fuerza se regula cambiando la intensidad o el número de espiras. c) Timbre, abrepuertas del portero automático, altavoces y auriculares, motores eléctricos (lavadora, ventilador, secador)…
3. Media
Un cable recto está colocado encima de una brújula, paralelo a la aguja. Con la corriente de sur a norte, el polo norte de la aguja gira hacia el oeste. a) Si el cable se coloca debajo de la brújula y la corriente va de sur a norte, ¿hacia dónde gira? b) ¿Y si se coloca debajo y la corriente va de norte a sur? c) ¿Qué pasaría si colocásemos dos cables iguales, uno encima y otro debajo de la brújula, ambos con corriente de sur a norte?
Ver solución
a) Hacia el este. b) Hacia el oeste. c) Prácticamente no gira: los dos efectos se anulan.
Cada cambio invierte el giro. a) Un cambio (posición) → este. b) Dos cambios → oeste. c) El cable de encima tiende a girarla hacia el oeste y el de debajo hacia el este. Si los dos están a la misma distancia y llevan la misma intensidad, sus efectos se anulan y la aguja prácticamente no gira.
4. Media
Diego monta la experiencia de Oersted, cierra el interruptor y la aguja no se mueve nada. Escribe tres posibles causas y cómo comprobarías cada una.
Ver solución
Por ejemplo: circuito abierto (cable suelto o interruptor mal), pila gastada, cable lejos de la brújula o colocado en dirección este-oeste.
Posibles causas:
- No pasa corriente porque el circuito está abierto (un cable suelto, un mal contacto en el interruptor): revisar las conexiones o intercalar una bombilla para ver si luce.
- La pila está gastada y la intensidad es muy pequeña: probar con otra pila o medir su voltaje.
- El cable está lejos de la aguja o colocado en dirección este-oeste: acercarlo y ponerlo paralelo a la aguja. (También vale: hay un objeto de hierro o un imán cerca que «sujeta» la aguja.)
5. Difícil
En muchos portales de Madrid, la puerta de la calle se abre desde casa con el portero automático. Dentro de la cerradura hay un electroimán. Cuando pulsas el botón de abrir en tu casa, pasa corriente por el electroimán, que atrae una pieza de hierro y libera el pestillo; al soltar el botón, el pestillo vuelve a bloquear la puerta. a) ¿Por qué no se podría hacer con un imán normal? b) Si hay un apagón, ¿se puede abrir la puerta desde casa? ¿Se queda abierta? c) Explica qué relación tiene este aparato con la experiencia de Oersted.
Ver solución
a) Un imán normal atraería siempre la pieza y no se podría controlar. b) No se puede abrir desde casa (no hay corriente), pero la puerta sigue cerrada y se abre con la llave. c) El electroimán funciona porque la corriente crea un campo magnético, que es lo que descubrió Oersted.
a) Un imán normal atrae siempre la pieza de hierro: el pestillo estaría siempre liberado (o siempre bloqueado). El electroimán permite controlar con un botón cuándo atrae y cuándo no. b) Sin corriente el electroimán no funciona: no se puede abrir desde casa. Pero la puerta no se queda abierta: el pestillo queda en su posición de bloqueo y se abre con la llave. c) El electroimán es una bobina por la que pasa corriente; la corriente crea un campo magnético, que es justo lo que descubrió Oersted al ver girar la aguja de la brújula.