Se presenta un plan de fabricación de un prototipo de un motor eléctrico sencillo y de muy bajo costo, apropiado para uso en las instituciones educativas. Esta actividad está orientada a ilustrar los principios físicos que intervienen en el funcionamiento de un motor eléctrico de corriente continua. 

Explicar los conceptos y leyes físicas involucradas y ¿Por qué gira la bobina?La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético. Un campo magnético que se forma entre los polos opuestos de un imán. Un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico. La bobina construida físicamente posee la cualidad de acumular corriente en forma de un campo magnético. Esto se puede demostrar mediante las Leyes de Maxwell. Esto se ve reflejado en lo siguiente:• Cuando se aplica una diferencia de potencial entre ambos extremos de la bobina, por ella circula corriente por lo que se acumula mediante un campo magnético en el embobinado del alambre o en la zona donde hemos enrollado el mismo.• Este campo magnético posee una polaridad, la cual en un momento es la misma que la polaridad que posee el imán por lo cual polos iguales se repelen y por ende el embobinado o bobina se mueve.• Al moverse los extremos del alambre se posicionan en los terminales de la batería por su zona esmaltada la cual funciona como un aislante al paso de corriente. En este caso la bobina se descarga por lo cual va cambiando de polaridad, lo cual se ve reflejado en que en un momento tiene la polaridad opuesta a la del imán y por ende se atraen, lo cual genera un movimiento.• El continuo movimiento que hace que los terminales toquen el alambre en su zona de conducción (3/4 partes sin esmalte) y zona de aislamiento (1/4 con esmalte) hace que la bobina se cargue y descargue, lo cual a su vez genera cambios en su polaridad y todo esto al estar en continua interacción con el imán genera que se atraiga y se repela consiguiendo como resultado el movimiento del motor.

Objetivo

Demostrar que  la combinación  de  energía  eléctrica  y  energía magnética  (electromagnetismo) hace posible  el funcionamiento de    los motores eléctricos  de  corriente directa   y  alterna,   que se usan como electrodomésticos

Familiarizarse  con  el equipo y los componentes básicos  del laboratorio  de electromagnetismo.

 

Introducción:El motor eléctrico es un dispositivo  que se utiliza  para convertir   energía  eléctrica en   energía mecánica por principios  electromagnéticos. Lo motores y los generadores  tienen  componentes básicos: como  el campo magnético con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura  que sostiene los conductores,  que  permiten  circular  la  corriente de  excitación, en caso de un motor. En el generador   es la estructura  que sostiene los conductores  cortan el campo magnético y transportan   corriente inducida  en el generador. La armadura es por lo general  un 

núcleo de  hierro  dulce laminado, alrededor  del cual se  enrollan   en  forma bobinas los cables  conductores.

Los motores  y generadores  de corriente  continua tienen  básicamente  los  mismos  componentes  y son  muy  parecidos  entre sí.   Se diferencian solo en  su forma  en que se emplean. Los motores llamados universales  tiene la facilidad de funcionar primero de una  y luego  de la otra forma.

En el generador  la energía mecánica  hace  girar el inducido o bobinado del rotor  sobre un eje, que al moverse  producen la energía  eléctrica. 

En el motor  la energía  eléctrica combinada  con la energía  magnética  del imán  hace girar  el inducido  y este,  a su vez, con su giro puede accionar  una carga  mecánica  a través  de un  sistema  de trasmisión  mecánica  de bandas o engranes.

El  generador  de corriente  continua  convierte   energía  mecánica en energía  eléctrica.  El motor de  corriente continua  convierte  energía  electromagnética en energía  mecánica.

En la página anterior, hemos estudiado la dinamo de disco estudiada por Faraday. Para mantener la velocidad angular constante de rotación era necesario aplicar un momento que compensase el momento de la fuerza que ejerce el campo magnético sobre la corriente inducida. También hemos estudiado la rueda de Barlow, un disco anular conectado a una batería en el que no hemos tenido en cuenta el papel de la corriente inducida al moverse en el seno de un campo magnético.

En esta página, vamos a estudiar el comportamiento del disco conectado a una batería. La corriente de la batería produce un efecto motor al que se opone la corriente inducida en el disco hasta que el disco alcanza una determinada velocidad angular de giro próxima a la velocidad constante máxima. En ese instante, se desconecta la batería, y veremos como el disco es frenado por la corriente inducida.

 

El motor eléctrico

Como se ve en la figura, la batería produce una corriente que va del borde del disco al centro. El campo magnético ejerce una fuerza, que produce un momento que hace girar el disco en sentido antihorario.

Experimento VII

El fenómeno de interacción entre solenoides e

imanes permanentes puede utilizarse para

fabricar un motor eléctrico de corriente continua.

En la Figura se muestra el esquema de

construcción que aprovecha el hecho de que

existe una atracción (o repulsión) entre el

solenoide y el imán permanente. Si se interrumpe

el paso de corriente cuando el solenoide está

girando para alinearse con el imán, este seguirá

girando porque se "apaga" la interacción. Esto

puede lograrse si se asila la mitad de uno de los

contactos eléctricos.

“EL MOTOR ELECTRICO”

OBJETIVO: Aplicar la ley de Ampere y la ley de Faraday.

INTRODUCCION

La vida moderna seria impensable sin la existencia de los motores, estos se encuentran

en todas partes: en la industria, el transporte, el hogar, etc. Para cualquier lado que

volteemos, podemos encontrar una maquina que funcione con un motor.

Un motor eléctrico es una maquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica.

Cuando la electricidad proveniente de una batería u otra fuente de energía se conectan a

un motor, se consigue que el eje comience a girar. Hay motores que funcionan con una

fuente de corriente continua (CC) como una batería, y hay otros que lo hacen con una

fuente de corriente alterna (CA). Si bien existen muchos diseños de motores eléctricos,

el principio en todos es el mismo.

Hay dos principios de física relacionados entre si que explican la operación de los

motores eléctricos. El primero es el principio de la inducción electromagnética,

descubierto en 1831 por el científico e inventor británico Michael Faraday. El principio

establece que cuando un circuito eléctrico se mueve en un campo magnético o cuando

se hace variar la intensidad del campo magnético que pasa a través de un circuito

eléctrico inmóvil, se inicia o “induce” una corriente eléctrica en el circuito. El segundo

principio es el inverso al primero, o sea, el de la reacción electromagnética, observado

por el físico francés André Marie Ampere en 1820.

De esta forma, cuando se tiene una corriente eléctrica que se transporta por un

conductor, tal como un alambre de cobre situado en un campo magnético, este alambre

experimentará una fuerza. Si el conductor se arrolla en una bobina con muchas vueltas

en posiciones precisas y con conexiones eléctricas, la fuerza creada hará que la bobina

gira sobre su propio eje. Cuando la bobina gira, hace girar al eje del motor.

Los motores constan de dos unidades básicas: el campo, que es el electroimán con su

bobinado; y la armadura, que es la estructura que soporta los conductores que cortan el

campo magnético y llevan la corriente excitatriz en el motor.

MATERIAL:

Para poder realizar un Motor Eléctrico, es necesario tener:

Una pila alcalina

Una Goma ancha

Dos clips de papel grandes

Un Imán de cerámica rectangular

Alambre de cobre esmaltado grueso

Un tubo

Papel de lija fino 19

Pegamento

Bloque pequeño de Madera para la base

PROCEDIMIENTO:

¿Como se puede producir electricidad a partir de dos imanes?

Esta fue la pregunta que bombardeo la cabeza del físico ingles Michael Faraday en el

siglo XIX. Sus investigaciones y experimentos le llevaron a convertirse en el primer

científico experimental que descubrió la relación que existe entre la electricidad y el

magnetismo.

¿Se puede producir electricidad a partir de un imán?

Michael Faraday fue le hombre que descubrió que un imán es susceptible de generar

corriente eléctrica. Para demostrar esta teoría, el físico británico enrollo sobre un anillo

de hierro dulce dos bobinas cilíndricas separadas, pero conectadas entre si. Faraday

puso en contacto la primera bobina con una batería y la segunda con un galvanómetro.

En el momento de cerrar y abrir la corriente en la primera de las bobinas, la desviación

de la aguja del galvanómetro indicó la presencia de una corriente inducida en la segunda

bobina.

Con este experimento, Faraday aportó un nuevo concepto a la física moderna: inducción

electromagnética. Este hallazgo le condujo a la creación de la dinamo- máquina que

transforma la energía mecánica en energía eléctrica- y le empujó para conseguir

formular las leyes generales que rigen el comportamiento electromagnético de la

materia.

El motor de rotación electromagnética de Faraday se define a partir de la rotación de

imanes alrededor de un cuerpo conductor de electricidad; sin embargo, durante el

desarrollo del proyecto se trata todo lo contrario; es decir, la rotación de conductores en

torno a un imán.

Para llevar a cabo el desarrollo del motor eléctrico, fue necesario seguir las siguientes

instrucciones:

1.- Comenzando aproximadamente después de 3 pulgadas del extremo del alambre, se

debe envolver 7 veces alrededor del tubo. Es necesario cortar el alambre, dejando un

sobrante de 3 pulgadas enfrente del punto de partida original.

2.- Envolver los dos extremos sobrantes alrededor de la bobina para fijarla, y extender

los dos extremos perpendiculares a la bobina. 20

Nota: Es importante que se asegure de centrar los dos extremos de los dos lados de la

bobina, ya que el balance es muy importante del motor eléctrico.

3.- En un extremo, utilizar el papel de lija fino para quitar totalmente el aislante del

cable. Se debe dejar cerca de ¼ pulgada de aislante en el extremo donde el cable se ha

enrollado a la bobina. Para el otro extremo, es necesario colocar la bobina plana sobre

una superficie y lijar, suavemente, solo la parte superior para eliminar el asilamiento de

solo la mitad superior del cable. Una vez mas, se debe dejar ¼ pulgada de aislante

completo en el extremo y donde el cable envuelve la bobina. Esto se puede observar en

la siguiente figura:

4.- Doblar los dos clips de papel de la siguiente forma. Esto será útil para sostener la

bobina formada por el alambre de cobre esmaltado.

5.- Pegar el imán de cerámica en la cara de la batería de la siguiente forma:

6.- Colocar la bobina en la horquilla formada por los extremos de la derecha de los clips

de papel. Es posible que se deba ayudar a empezar a girar la bobina; sin embargo,

después de ello la bobina debe comenzar a girar rápidamente. Si esto no es posible; es

decir, si la bobina no gira, es necesario cerciorarse de que ha sido eliminado todo el

aislante de los extremos del cable. Además, si la bobina gira irregularmente, debemos

observar que los extremos estén centrados en los laterales de la bobina. Es necesario

resaltar que el motor esta en fase solamente cuando se sostiene horizontalmente.

7.- Para mostrarlo, se necesitará probablemente construir una horquilla pequeña para

sostener el motor en la posición apropiada. Puede ser que también ayude el doblar los

extremos de la bobina un poco, de modo que, como se desliza a la derecha o a la 21

Izquierda, los dobleces lo mantengan en la posición apropiada. Esto se puede observar

claramente en la siguiente figura.

ONTENIDOLos componentes encontrados en las diferentes partes de una computadora de escritorio son:Resistencia o resistor

Componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., las resistencias se emplean para producir calor.

La corriente máxima de una resistencia viene condicionada por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más corrientes son 1/8W, 1/4 W, 1/2 W y 1 W.

Existen resistencias de valor variable, que reciben el nombre de potenciómetros o reostatos.

Las resistencias se utilizan en los circuitos para limitar el valor de la corriente o para fijar el valor de la tensión.

Vemos diferentes tecnologías de resistores, los más comunes son las de empaquetado tipo Axial y las de tipo SMT. Las de tipo axial, tienen un código de colores para la identificación del valor de su resistencia, los cuales los podemos ver aquí:

¿Como leer el valor de una resistencia?

En una resistencia tenemos generalmente 4 líneas de colores, aunque podemos encontrar algunas que contenga 5 líneas (4 de colores y 1 que indica tolerancia) vamos a tomar la más general las de 4 líneas, las primeras 3 y dejamos aparte la tolerancia que es plateada o doradaLa primera línea representa el dígito de las decenas.La segunda línea representa el dígito de las unidades.El número así formado se multiplica por la potencia de 10 expresada por la tercera línea (multiplicador).

Codificación de los Resistores en SMT

A los resistores cuando se encuentran en circuitos con tecnología de montaje de superficie se les imprimen valores numéricos en un código similar al usado en los resistores axiales. Los resistores de tolerancia estándar en estos tipos de montajes (SMT), son marcados con un código de tres dígitos, en el cual los primeros dos dígitos representan los primeros dos dígitos significativos y el tercer dígito representa una potencia de diez (el número de ceros).

Por ejemplo

:"334" 33 × 10,000 ohmios = 330 kiloohmiosLos resistores de menos de 100 ohmios se escriben: 100, 220, 470. El numero cero final representa diez a la potencia de cero, lo cual es 1.

Por ejemplo:"100" = 10 × 1 ohmio = 10 ohmios

Condensador o capacitor

Es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separados por un material dieléctrico

Fusible

Se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

BobinaUn inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de una bobina de material conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso, para incrementar su capacidad de magnetismo entre la Intensidad (inductancia).

Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa,

comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor. El inductor consta de las siguientes partes:

Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.Devanado inductor:

Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado.

Encontramos otro tipo de bonina llamada bobina Toroidal, esta cumple con el mismo principio pero lo que cambia es el núcleo y su forma de enrollamiento.

Tipos de bobinas

Con núcleo de aire.

- El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas. Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas.

Con núcleo sólido.

- Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L.

Transformador

Es una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

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.

Diodo

El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.

Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

Principio de operación de un diodo

El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones).

Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P mas allá de los límites del semiconductor.De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N.

En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente.El diodo se puede hacer trabajar de 2 maneras diferentes:

Polarización directa

Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.

Polarización inversa

Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.

Diodo Zener

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que a diferencia del funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa) siempre se utiliza polarizado inversamente.

En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.

Diodo LED. Diodo emisor de luz. Light-Emitting Diode

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.