TECSUPC4

TECSUP-PFR Electricidad

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UNIDAD IV

EELLEECCTTRROOMMAAGGNNEETTIISSMMOO

1. GENERALIDADES La corriente eléctrica genera un campo electromagnético en el espacio que la circunda. Sus fenómenos concuerdan plenamente con los fenómenos de los campos magnéticos naturales, como por ejemplo, con el campo de un imán permanente o con el campo magnético de la tierra. Para poder representar campos magnéticos, se introdujeron líneas de campo, del mismo modo que en los campos eléctricos. Siempre están dirigidas desde el polo norte al polo sur del campo magnético y nunca se tocan. Sin embargo, mientras en un campo eléctrico las líneas de campo eléctrico salen en forma de rayos del electrodo con carga positiva y terminan en el electrodo con carga negativa, las líneas de campo magnético siempre están cerradas. Por consiguiente, no tienen ni comienzo ni final. Otra diferencia esencial entre el campo eléctrico y el campo magnético consiste en que un campo magnético siempre tiene una naturaliza polar. Por lo tanto, no es posible crear un polo norte o un polo sur separado. En lo que respecta a las acciones de la fuerza entre distintos imanes, se puede observar un comportamiento similar al de las cargas eléctricas. Así, los polos iguales se repelen mientras que los polos distintos se atraen. No importa si se trata de un polo electromagnético o de un polo magnético generado por un imán permanente. Para el cálculo de circuitos magnéticos se necesita una serie de magnitudes de campo. Así, para la suma de las líneas de campo, se introdujo el flujo magnético Φ. Otra magnitud de campo importante es la densidad de flujo B. En la práctica, son de importancia los campos magnéticos de las espiras conductoras y, en especial, de las bobinas, las que pueden considerarse como conexión en serie de dichas espiras conductoras. En electrotecnia y en electrónica estas bobinas tienen, como componentes, una importancia similar a la de las resistencias y los condensadores. La conexión entre la corriente y el número de espiras de la bobina como causa del campo magnético generado se explica por la fuerza magnetomotriz FMM. A menudo es comparada con la tensión U –como causa del campo eléctrico- y se denomina tensión magnética. Así como la tensión U produce una corriente I, la fuerza magnetomotriz FMM produce un flujo magnético Φ. Correspondientemente, una resistencia magnética R (reluctancia) puede definirse también como el cociente entre la fuerza magnetomotriz y el flujo magnético. Sin embargo, en muchas aplicaciones prácticas, no se utiliza la fuerza magnetomotriz como causa del campo magnético H.

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Ambas magnitudes son proporcionales entre sí. Los materiales ferromagnéticos como el hierro, níquel o cobalto tienen una influencia considerable en el curso de las líneas de campo magnético. Debido a su gran conductibilidad magnética, las líneas de campo recorren siempre un tramo lo más grande posible entre polo norte y polo sur en el material ferromagnético. Un núcleo de hierro ya imantado una vez contiene todavía un magnetismo remanente, aun cuando ya no existe el campo electromagnético. Este estado se denomina remanencia. Los símbolos de conexión de los componentes electromagnéticos más importantes están representados en la figura 4.1.

Figura 4.1 Símbolos de conexión de componentes electromagnéticos.

2. CONCEPTOS Y MAGNITUDES MAGNÉTICAS Un campo magnético generado por una corriente eléctrica también se denomina campo electromagnético. Pero sus fenómenos concuerdan plenamente con los así denominados campos magnéticos naturales, como por ejemplo con el campo de un imán permanente o con el campo magnético de la tierra. 2.1. IMANES

Si tomamos un imán e intentamos acercar diferentes objetos metálicos, podremos observar que éste atrae con fuerza sólo aquellos objetos que sean de hierro o acero. Este fenómeno también se da con el níquel y el cobalto. A estos materiales que son susceptibles de ser atraídos por un imán se les conoce con el nombre de materiales ferromagnéticos.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

j) k)

a) Bobina.b) Bobina (representación optativa).c) Bobina (representación optativa).d) Bobina con núcleo de hierro.e) Transformador.f) Transformador(representación optativa).g) Transformador (bobinado primario y secundario en el mismo sentido.h) Transformador (bobinado primario y secundario en sentido contrario.i) Relé (con indicaciones de un bobinado eficaz).k) Relé (contactor) con tres contactos de trabajo y un contacto de reposo.


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2.2. POLOS DE UN IMÁN Si depositamos una cantidad de limaduras de hierro sobre un imán recto, como en la figura 4.2, podremos observar que aparece una mayor concentración de éstas en los extremos del imán. A su vez también se puede comprobar cómo esta concentración disminuye hacia el centro, hasta desaparecer prácticamente en el centro. Las zonas donde se produce la mayor atracción se denominan polos magnéticos. La zona donde no hay atracción se denomina línea neutra.

SN

PoloPolo

Figura 4.2 Polos de un imán.

2.3. BRÚJULA La brújula es una aguja imantada que puede girar libremente en su eje central (figura 4.3). Si nosotros dejamos girar libremente a la aguja imantada de una brújula, ésta se orientará siempre con un extremo hacia el polo norte terrestre y el otro hacia el sur. De ahí proviene el nombre de los polos de un imán. Al extremo de la aguja que se orienta hacia el norte geográfico terrestre se le denomina polo norte y al otro polo sur. Dado que en los imanes los polos del mismo nombre desarrollan fuerzas de repulsión y los de diferente nombre de atracción, mediante la brújula será fácil determinar los nombres de los polos. Para ello bastará acercar la brújula a uno de los polos del imán y comprobar si existe atracción o repulsión del polo norte de la misma.

N

S

Figura 4.3 Brújula.


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2.4. CLASES DE IMANES En la naturaleza se pueden encontrar imanes naturales, como la magnetita, que posee ciertas propiedades magnéticas. Pero para potenciar dichas propiedades se pueden fabricar imanes artificiales a partir de materiales ferromagnéticos. Los imanes artificiales, dependiendo del material utilizado, una vez magnetizados pueden mantener durante largo tiempo sus propiedades magnéticas (imanes permanentes) o sólo cuando están sometidos a la acción de un campo magnético (imanes temporales). Como ejemplo de imanes temporales tenemos el hierro puro, y como imán permanente, el acero. Mediante una sencilla experiencia se puede comprobar que al acercar un trozo de acero (por ejemplo, un destornillador) a un imán, el acero queda magnetizado, apreciándose sus propiedades de atracción aunque retiremos el imán de dicho trozo de acero. Sin embargo, si utilizamos un trozo de hierro para la experiencia (por ejemplo un clavo de hierro), éste manifiesta propiedades de atracción hacia otros materiales sólo cuando está bajo la acción del campo magnético del imán; una vez retirado el imán, dicho trozo de hierro pierde prácticamente todas las propiedades magnéticas adquiridas. Para la construcción de imanes permanentes se utilizan aleaciones de acero – tungsteno, acero – cobalto, acero al titanio, hierro – níquel – aluminio – cobalto, etc. Los imanes temporales son de gran utilidad para la construcción de núcleos para electroimanes, motores, generadores y transformadores. En estos casos se emplea la chapa de hierro aleada, por lo general, con silicio.

2.5. TEORÍA MOLECULAR DE LOS IMANES Si rompemos un imán en dos, las dos partes resultantes son dos imanes completos con sus polos correspondientes. Si volviésemos a romper una de estas partes obtendríamos otros dos nuevos imanes. Este proceso de puede repetir multitud de veces, hasta alcanzar lo que vendremos a llamar molécula magnética. Según esta teoría, se puede suponer que un imán está compuesto de moléculas magnéticas perfectamente orientadas con los polos respectivos del imán (figura 4.4.a). Un trozo de hierro sin imantar está compuesto de moléculas magnéticas totalmente desorientadas (figura 4.4.b).


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a) b) Figura 4.4 Moléculas magnetizadas de un imán (a) y de un trozo de hierro (b).

Figura 4.5 Formación de imanes individuales a partir de un imán permanente.

Las propiedades magnéticas de los imanes se ven alteradas por la temperatura; así por ejemplo, el hierro puro pierde totalmente su magnetismo por encima de los 769 ºC. Por otro lado, si golpeamos fuertemente un trozo de acero imantado se puede modificar sus propiedades magnéticas. Esto es debido a que los golpes pueden cambiar el orden de las moléculas magnéticas.

2.6. CAMPO MAGNÉTICO DE UN IMÁN Se puede decir que el campo magnético es el espacio, próximo al imán, en el cual son apreciables los fenómenos magnéticos originados por dicho imán. El campo magnético de un imán es más intenso en unas partes que en otras. Así, por ejemplo, el campo magnético adquiere su máxima intensidad en los polos, disminuyendo paulatinamente según nos alejemos de ellos.

Figura 4.6 Espectro magnético de un imán.

N S

N S

N S

N S

N S N S N S

N S


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En la figura 4.6 se aprecian las líneas del campo magnético o líneas de fuerza. Estas líneas representan la forma del campo magnético. Ahora bien, por motivos de convencionalismos teóricos, se les da un sentido de circulación, de tal forma que se dice que las líneas de campo salen por el polo norte del imán, recorren el espacio exterior y entran por el polo sur. El sentido de circulación de estas líneas por el interior del imán es de sur a norte. La visualización de las líneas de campo resulta muy interesante, ya que conociendo su dirección podemos determinar la polaridad del campo magnético. Además, la mayor o menor concentración de las mismas nos indica lo intenso que es el campo en una determinada zona.

3. ELECTROMAGNETISMO Los imanes producen un campo magnético considerable, pero para ciertas aplicaciones éste resulta todavía muy débil. Para conseguir campos más intensos utilizaremos bobinas fabricadas con conductores eléctricos, que al ser recorridos por una corriente eléctrica desarrollan campos magnéticos, cuya intensidad depende, fundamentalmente, de la intensidad de la corriente y del número de espiras de la bobina. 3.1. CAMPO MANGÉTICO DE UN CONDUCTOR RECTO

Si nosotros colocamos limaduras de hierro sobre una hoja de papel que es atravesada por un conductor por donde circula una corriente eléctrica (ver figura 4.7) observaremos que las limaduras se orientan y forman un espectro magnético de forma circular.

Figura 4.7 Campo magnético en un conductor recto. Para poder representar el campo magnético en un plano, debemos dibujar una sección del conductor.


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Figura 4.8 Comprobación de un campo electromagnético.

a) Conductor sin corriente b) La corriente se aleja del observador c) La corriente circula hacia el observador Donde:

Figura 4.9 Aguja de una brújula.

3.2. CAMPO MAGNÉTICO EN UNA ESPIRA Un conductor recto produce un campo magnético muy disperso y, por lo tanto, muy débil. La forma de conseguir que el campo magnético sea más fuerte es disponiendo el conductor en forma de espira o anillo. El sentido de las líneas de fuerza de una parte del conductor se suma a la del otro, formando un campo magnético mucho más intenso en el centro de la espira (figura 4.10).

Polo norte

Polo sura) Conductor sin corriente b) Conductor recorrido por

la corrientec) Conductor recorrido por la corriente con sentido inverso del flujo de la corriente en comparación con b)

S

N


90

Figura 4.10 Campo magnético en una espira.

3.3. CAMPO MAGNÉTICO DE UNA BOBINA En una bobina, el campo magnético de cada espira se suma al de la siguiente, concentrándose éste en el centro de la misma. El campo resultante es uniforme en el centro de la espira y mucho más intenso que en el exterior. En los extremos de la bobina se forman los polos magnéticos (figura 4.11).

Figura 4.11 Líneas de campo en una bobina. Para determinar el sentido de las líneas de fuerza se aplica la regla del sacacorchos, pero de otra forma. Basta con girar el sacacorchos, en el mismo sentido de giro que la corriente eléctrica por las espiras. El sentido de avance del sacacorchos nos indica el sentido de las líneas de fuerza. Una vez determinado este sentido, buen fácil es determinar los polos de la bobina (el polo norte estará situado en el extremo por donde salen las líneas de campo, y el sur por donde entran).

I

SN S

I


91

Figura 4.12 Campo magnético de una bobina.

4. MAGNITUDES MAGNÉTICAS Al igual que para definir el comportamiento de un circuito eléctrico utilizamos magnitudes eléctricas, para definir los campos electromagnéticos utilizamos las magnitudes magnéticas. 4.1. FLUJO MAGNÉTICO (Φ)

El campo magnético se representa a través de las líneas de fuerza. A la cantidad de estas líneas se le denomina flujo magnético. Símbolo del flujo magnético = Φ Unidad del flujo magnético = Weber Símbolo de la unidad del flujo magnético = Wb

4.2. INDUCCIÓN MAGNÉTICA O DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO (B) La inducción magnética se define como la cantidad de líneas de campo que atraviesa perpendicularmente la unidad de superficie (S). En cierta forma, nos indica lo densas que son las líneas de campo, o lo concentradas que están, en una parte del campo magnético. Símbolo de la inducción magnética = B Unidad de la inducción magnética = Tesla Símbolo de la unidad de la inducción magnética = T


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Fórmula: B = Φ / S Se dice que existe una inducción de un tesla cuando el flujo de un weber atraviesa perpendicularmente una superficie de un metro cuadrado. EJEMPLO 1: ¿Cuál es la inducción magnética existente en la cara plana del polo de un imán recto de 12cm2 de superficie cuando es atravesado por un flujo magnético de 0,006 Wb? Solución Φ = 0,000 6 Wb S = 12cm2 = 12 / 10 000 = 0,001 2 m2 B = Φ / S = 0,006 / 0,001 2 B = 5 T (Respuesta)

4.3. FUERZA MAGNETOMOTRIZ (FMM) Se puede decir que es la capacidad que posee la bobina de generar líneas de campo en un circuito magnético. La fuerza magnetomotriz aumenta con la intensidad de la corriente que fluye por la bobina y con el número de espiras de la misma. Símbolo de la fuerza magnetomotriz = FMM Unidad de la fuerza magnetomotriz = Ampere - vuelta Símbolo de la unidad de la FMM = A v Fórmula: Donde: N = número de espiras. I = intensidad de corriente (A) EJEMPLO 2: Para el funcionamiento de un electroimán se necesita una fuerza magnetomotriz de 500 A v. Indicar dos posibilidades para conseguirlo. Solución: Posibilidad 1: con N = 500 espiras I = FMM / N = 500 / 500 = 1 A

FMM = N ⋅ I


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Posibilidad 2: con N = 100 espiras I = FMM / N = 500 / 100 = 5 A

4.4. INTENSIDAD DE CAMPO NAGNÉTICO (H) Nos indica lo intenso que es el campo magnético. La intensidad de campo en una bobina depende de la fuerza magnetomotriz (N.I). Ahora bien, cuanto más larga sea la bobina, más se dispersan las líneas de campo, dando como resultado una intensidad de campo más débil; por lo que se puede decir que, para una fuerza magnetomotriz constante, la intensidad de campo (H) es inversamente proporcional a la longitud media de las líneas de campo. Símbolo de la intensidad de campo magnético = H Unidad de la H = Ampere – vuelta / metro Símbolo de la H = A v / m Fórmula: H = FMM / L o H = N * I / L Donde: N = número de vueltas de la bobina. I = intensidad de la corriente (A). L = longitud de la bobina (m). EJEMPLO 3: Calcular la intensidad del campo en el interior de la bobina de la figura 4.13. El número de espiras de la misma es de 300 y la corriente 10 A.

Figura 4.13 Reactor.

20cm

4 cm

líneamedia

I = 10 A

20 cm


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Solución: Primero determinamos la línea media por donde se van a establecer las líneas de campo. Para ello observamos las dimensiones del núcleo de la bobina: L = 16 + 16 + 16 +16 = 64 cm = 0,64 m H = N * I / L = 300 * 10 / 0,64 = 4 687,5 A v / m H = 4 687,5 A v / m (Respuesta)

4.5. RELUCTANCIA (R) La reluctancia de un material nos indica si éste deja pasar las líneas de campo en mayor o menor grado. Los materiales no ferromagnéticos, como el aire, poseen una reluctancia muy elevada. En cierta forma la reluctancia es un concepto similar al de resistencia en un circuito eléctrico, hasta tal punto que podemos establecer una ley de Ohm para los circuitos magnéticos: el flujo que se establece en un circuito magnético es proporcional a la fuerza magnetomotriz proporcionada por la bobina en inversamente proporcional a la reluctancia del medio por donde se establecen las líneas de campo. Símbolo de la reluctancia = R Unidad de la reluctancia = Ampere – vuelta / weber Símbolo de la unidad de R = A v / Wb Fórmula: R = FMM / Φ EJEMPLO 4: Calcular la reluctancia que posee el núcleo de un electroimán si al hacer circular 5A por la bobina de 1 000 espiras se ha establecido un flujo de 5mWb. Solución N = 1 000 espiras I = 5 A FMM = N * I = 1 000 * 5 = 5 000 A v R = FMM / Φ = 5 000 / 0,005 = 1 000 000 R = 1 000 000 A v / Wb (respuesta)


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4.6. CURVA DE MAGNETIZACIÓN Cuando un material se somete a la acción de un campo magnético creciente H, la inducción magnética B que aparece en la misma también aumenta en una relación determinada. Por lo general, esta relación (B – H) no es constante, por lo que es de gran utilidad conocer la curva de magnetización que representa el valor de la inducción en función de la intensidad de campo en cada material. En la curva de la figura 4.14 se ha representado la relación B – H de un hierro dulce. En ella se puede apreciar que para valores de intensidad de campo menores a 2 000 A v / m (tramo a–b), la inducción magnética crece proporcionalmente hasta 0,2T. A partir de este punto aparece un punto de inflexión en la curva, y a aumentos de la intensidad de campo le corresponden aumentos pequeñísimos de inducción magnética. A partir de este punto se dice que el hierro ha alcanzado la saturación magnética.

Figura 4.14 Curva de magnetización.

Para explicar el fenómeno de la saturación magnética se puede recurrir a la teoría molecular de los imanes: cuando se introduce en una bobina un núcleo de un material ferromagnético y se hace circular una corriente eléctrica por dicha bobina, aparece una campo magnético en su interior, de intensidad H, que orienta un cierto grado las moléculas magnéticas de dicho material; lo que refuerza el campo con una inducción B. Un aumento en la intensidad de la corriente trae como consecuencia un aumento de H; lo que hace orientarse un poco más las moléculas magnéticas que se ve reflejado en un nuevo aumento de la inducción. Si seguimos aumentando la intensidad de la corriente, y con ella H, llega un momento en que las moléculas magnéticas ya están totalmente orientadas, y por mucho que se aumente la intensidad de campo, éste ya no se ve reforzado. Se ha alcanzado la saturación magnética.


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En la figura 4.14 también se ha incluido la curva de magnetización del aire, donde se observa un crecimiento pequeño pero constante de la inducción magnética alcanzada respecto a la intensidad de campo de la bobina.

4.7. PERMEABILIDAD MAGNÉTICA Se puede comprobar experimentalmente que al introducir en el núcleo de una bobina una barra de hierro, se aprecia un notable aumento de las propiedades magnéticas de dicha bobina. Por esta razón, siempre que deseemos producir campos magnéticos intensos utilizaremos núcleos de hierro, como en el caso de los electroimanes. Cuando se introduce en el núcleo de una bobina un material ferromagnético, se aprecia un aumento de líneas de fuerza en el campo magnético. Si llamamos B0 a la inducción magnética que produce el electroimán con un núcleo de aires, y B a la inducción magnética conseguida al introducir un material ferromagnético, tendremos que:

Donde µr es el poder que posee el material ferromagnético para multiplicar las líneas de campo. A este parámetro se le conoce con el nombre de permeabilidad. En este caso, se trata de la permeabilidad relativa con respecto al aire o al vacío. Este fenómeno lo podemos explicar valiéndonos de la teoría molecular de los imanes: la bobina con núcleo de aire produce un número determinado de líneas de fuerza. Al introducir un trozo de hierro, éste se ve sometido a la acción de estas líneas de fuerza y sus moléculas magnéticas tienden a orientarse. El núcleo de hierro ahora es un imán temporal que refuerza la acción del campo magnético original. En la práctica es más usual utilizar el concepto de permeabilidad absoluta (µ). Ésta nos relacional la intensidad de campo que produce la bobina (H) con el nivel de inducción magnética (B) alcanzado al introducir un material ferromagnético en el núcleo.

µ = B / H

O lo que es lo mismo:

B = µr B0

B = µH


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Donde se puede apreciar el poder multiplicador de la permeabilidad. Símbolo de la permeabilidad = µ Unidad de la permeabilidad = Henrios / metro Símbolo de la unidad de permeabilidad = H / m Cada material magnético tiene su propio coeficiente de permeabilidad. Cuanto mayor es este coeficiente, mejores propiedades magnéticas poseerán estos materiales. La permeabilidad de los materiales no es constante, y depende sobre todo de los niveles de inducción a que se someta a los mismos. La permeabilidad del aire o el vacío es: Con esta expresión relacionamos la permeabilidad absoluta con la relativa:

µr = µ / µ0 En conclusión, la permeabilidad se hace más pequeña según nos acercamos a los niveles de saturación magnética.

4.8. APLICACIONES PRÁCTICAS DE LOS ELECTROIMANES a) Frenos magnéticos: Se aplican sobre todo en ascensores,

montacargas y grúas. Las zapatas de frenado se abren mediante un electroimán cuando existe una situación normal, es decir, cuando hay tensión en la red. Si por causa de una avería desaparece el suministro de energía eléctrica, las zapatas se cierran sobre la superficie de un tambor, con lo que frenan el sistema e impiden la caída al vacío de la carga.

b) Electroválvulas: La válvula abre o cierra el circuito hidráulico o neumático según sea o no alimentada la bobina del electroimán que lleva incorporado. La aplicación de las electroválvulas está muy extendida: lavadoras, automatización de fluidos, etc.

c) Timbres: Los timbres se utilizan para producir señales acústicas. d) Relés y contactores; etc.

4.9. DESIMANTACIÓN En la desimanación, por ejemplo de relojes y herramientas de trabajo, se intenta restaurar el primitivo estado de desorden de los imanes elementales. Esto se consigue haciendo pasar lentamente el objeto a través de una bobina por la que circula corriente alterna. La intensidad del campo magnético cambia continuamente de dirección e intensidad. La

µ0 = 4 π⋅ 10-7 H / m


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longitud media de las líneas de campo crece, la intensidad de campo magnético y con él la imantación del hierro, decrece en ambas direcciones. En los materiales magnéticamente duros debe repetirse este proceso varias veces hasta que la remanencia haya desaparecido totalmente.

5. PRINCIPIO DEL MOTOR En todos los motores eléctricos, un convertidor de energía transforma la energía eléctrica en energía mecánica. El principio básico del motor se reduce a la desviación de un conductor recorrido por la corriente en un campo magnético. En la figura 4.15 se representan gráficamente las conexiones.

Figura 4.15 Acción conjunta del campo de excitación y del campo inducido En la figura 4.15a, el conductor sin corriente descansa como material no magnético en el campo magnético B1, denominado campo de excitación. En la figura 4.15b, se representa, por el contrario, el campo magnético de un conductor recorrido por la corriente, donde la corriente debe fluir al plano del papel. Este campo magnético B2 que consta de líneas de campo concéntricas se denomina campo inducido. Mediante la superposición de ambos campos magnéticos B1 y B2, se produce como resultado un campo magnético Bres, como se ilustra en la figura 4.14c. Mediante la concentración de las líneas de campo en el lado derecho, el conductor es movido hacia el lado más débil del campo. La fuerza F que entonces se produce es directamente proporcional al campo de excitación B1, a la corriente del conductor y a la longitud activa l del conductor. Por lo tanto, rige:

F = B1 * I *⋅ l *⋅ z

N

S

B1

N

S

B2

N

S

Bres

F

a) b) c)


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Con F = la fuerza en N (Newton) B1 = la inducción magnética en Vs / m2 I = la corriente en A l = la longitud del conductor en m z = el número de conductores La longitud activa l es el tramo que el conductor recorre en el campo de excitación homogéneo B1 – con un ángulo de 90º hacia el sentido de campo. La relación de sentido del campo magnético, sentido de la corriente y sentido del movimiento se puede determinar con la regla de la mano izquierda. Dice: 1. La mano izquierda abierta hay que mantenerla en el campo de

excitación de forma tal que las líneas de campo provenientes del polo norte choquen en la superficie interna de la mano.

2. Hay que girar la mano de modo que los dedos apunten en el sentido

del flujo de corriente (sentido técnico de la corriente). 3. El pulgar extendido da el sentido de la fuerza y, en consecuencia, el

sentido de movimiento del conductor. En la figura 4.16 se representa claramente esta regla de la mano izquierda.

Figura 4.16 Regla de la mano izquierda para el principio del motor.


100

6. PRINCIPIO DEL GENERADOR En contraposición con el motor, en un generador la energía mecánica es transformada en energía eléctrica. Si por ejemplo un conductor se mueve en un campo magnético de manera que corte las líneas de campo, entonces se induce (=genera) en él una tensión durante el movimiento. Este proceso se denomina inducción del movimiento. En la figura 4.17 se muestran esquemáticamente dos posibilidades.

Figura 4.17 (a) Proceso de inducción: bobina en reposo e imán en movimiento.

Figura 4.17 (b) Proceso de inducción: imán en

reposo y conductor en movimiento. Si un imán de barra se mueve como en la figura 4.17a, las espiras de la bobina cortan las líneas de campo y se induce en ella una tensión. En la figura 4.17b oscila un conductor en el campo de un imán permanente. Aquí también se induce una tensión en el conductor porque se cortaron las líneas de campo. La generación de tensión se produce sin importar si se mueve el campo magnético o el conductor. El proceso de inducción sólo depende, por lo tanto, del movimiento relativo entre campo de excitación y conductor. La polaridad de la

V SN

Sentido de movimientodel imánBobina en reposo


101

tensión generada depende aquí siempre del sentido del movimiento de la configuración móvil. Así, se modifica la polaridad de la tensión generada si el imán de barra se introduce en la bobina y se saca de nuevo. El mismo caso se presenta, cuando el bucle conductor en la figura 4.17b oscila hacia delante o hacia atrás. Con un movimiento constante de ida y regreso del imán de barra o del bucle conductor se origina forzadamente, por consiguiente, una tensión alterna. La altura de la tensión inducida depende de la magnitud del flujo magnético y de la velocidad de movimiento de la parte que se mueve. Pero en una configuración como la de la figura 4.17a también se puede lograr un aumento de la tensión sin que se modifiquen las condiciones, si se aumenta el número de espiras N de la bobina. La ley de inducción describe estas relaciones en física:

- U0 = N ⋅ ∆Φ / ∆t Con U0 = tensión inducida (en V) ∆Φ = variación del flujo magnético (en Wb) ∆t = tiempo en que transcurre la variación (en s) N = número de espiras de la bobina El signo menos en la fórmula no tiene importancia para la generación práctica de tensión y no hay que volver a considerarlo en los cálculos. Sólo considera la relación física entre la energía mecánica como causa y la energía eléctrica inducida como efecto. Si el circuito de corriente está cerrado, entonces la tensión inductiva produce una corriente. Su sentido depende del sentido de movimiento del conductor y del sentido del campo magnético. El sentido de la corriente generada se puede determinar con la regla del generador que también se denomina regla de la mano derecha. En la figura 4.18 se muestra claramente esta regla de la mano derecha.

Figura 4.18 Regla de la mano derecha para el principio del generador.


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La regla de la mano derecha representada en la figura 4.18 ilustra la conexión entre el sentido del campo magnético, el sentido de la corriente y el sentido del movimiento. Dice: 1. La mano derecha abierta hay que mantenerla en el campo de excitación de

forma tal que las líneas de campo provenientes del polo norte choquen en la superficie interna de la mano.

2. Hay que girar la mano de modo que el pulgar extendido apunte en el sentido del movimiento del conductor.

3. Los dedos extendidos dan el sentido de la corriente de inducción.

7. PRINCIPIO DEL TRANSFORMADOR Un transformador posee dos bobinados: uno primario y otro secundario que se arrollan sobre un núcleo magnético común, formado por chapas magnéticas apiladas (figura 4.19). Por el bobinado primario se conecta la tensión de entrada y por el bobinado secundario obtenemos la tensión de salida. El mismo transformador puede funcionar como elevador o reductor. Así, por ejemplo, con un transformador de 220/125 V, si conectamos el bobinado de 220 V a una red de la misma tensión, obtendremos en el otro bobinado una tensión de salida de 125 V (transformador reductor); a la inversa, si conectamos el bobinado de 125 V a una red de la misma tensión, obtendremos en el otro bobinado una tensión de salida de 220 V (transformador elevador). N1 = Nº de espiras del primario N2 = Nº de espiras del secundario V1 = Tensión del primario V2 = Tensión del secundario

Figura 4.19 Transformador elemental.

I2

U2I1

U1

Núcleo magnético

BOBINA SECUNDARIABOBINA PRIMARIA

O

N1

N1

N2


103

¿Cómo consigue cambiar la tensión un transformador? Si observas la figura 4.19, podrás comprobar que no existe conexión eléctrica entre el bobinado primario y el secundario. ¿Por dónde pasa entonces la energía eléctrica de un bobinado a otro? Estos fenómenos se pueden explicar gracias a la inducción electromagnética. Al conectar el bobinado primario, de N1 espiras, a una tensión alterna senoidal U1, aparece una pequeña corriente por dicho bobinado que produce en el núcleo magnético un flujo variable (Φ) también de carácter senoidal. Este flujo variable se cierra por todo el núcleo magnético y corta los conductores del bobinado secundario, por lo que se induce una fuerza electromotriz en el secundario que dependerá del número de espiras del mismo. De esta forma, la transferencia de energía eléctrica se hace a través del campo magnético variable que aparece en el núcleo del transformador, no siendo necesaria la conexión eléctrica entre ambos bobinados, por lo que se puede decir que un transformador aísla eléctricamente el circuito del primario del secundario (la bobina del primario convierte la energía eléctrica en energía en forma de campo magnético variable; la bobina del secundario se comporta como un generador y transforma dicho campo variable otra vez en energía eléctrica gracias a la inducción electromagnética). En el caso de que el número de espiras del primario N1 fuese igual al del secundario N2, la tensión U2, que se induce en el secundario, sería aproximadamente igual a la aplicada al primario U1. Hay que pensar que el flujo que se produce en el primario es proporcional a la tensión aplicada a la bobina y al número de espiras de la misma. Por otro lado, la tensión que se induce en el secundario es proporcional al flujo común y al número de espiras del secundario. Si el número de espiras es igual, la tensión que se induce en el secundario es igual que la administrada por el primario. En el caso de que el número de espiras del secundario sea mayor que la del primario, la tensión del secundario también será mayor. Volviendo al mismo razonamiento, para un mismo flujo común, en cada una de las espiras del secundario se induce una cierta tensión, por lo que cuantas más espiras tenga este bobinado, más tensión aparecerá en el mismo. El mismo razonamiento se puede hacer para un transformador reductor. En general, se cumple con gran aproximación que:

Donde a n se le conoce como “relación de transformación”.

nU

1

U2

N1

N2

= =


104

8. RESUMEN 1. Un imán es un cuerpo que atrae hierro, níquel y cobalto. 2. Los imanes permanentes son imanes que conservan siempre sus

propiedades magnéticas. 3. Los electroimanes son bobinas por las que circula una corriente. El efecto

magnético se presenta siempre que circula una corriente por la bobina. 4. Polos iguales se repelen, polos distintos se atraen. 5. El espacio en el que aparecen fuerzas debidas a imanes se denomina campo

magnético. 6. La magnetización consiste en la ordenación de los imanes elementales. 7. Las líneas según las que se orientan las limaduras de hierro se llaman líneas

de campo magnético. 8. Las líneas de campo magnético son cerradas. 9. Las líneas de campo magnético discurren en el exterior del imán del polo

norte al polo sur y en el interior, del polo sur al polo norte. 10. El sentido de las líneas de campo magnético de un conductor recorrido por

una corriente depende del sentido de la corriente. 11. Las líneas de campo tienden a ser lo más cortas posibles. 12. Las líneas de campo colindantes tienden a separarse. 13. Corrientes del mismo sentido circulando por conductores paralelos producen

fuerzas atractivas. Corrientes con sentidos contrarios que circulan por conductores paralelos originan fuerzas de repulsión.

14. El flujo magnético de un imán expresa el valor total de su efecto magnético. 15. El hierro refuerza el flujo magnético de una bobina. 16. La fuerza magnetomotriz es la causa del flujo magnético. 17. La inducción magnética es inversamente proporcional a la longitud de las

líneas de campo. 18. La intensidad de campo magnético es el cociente entre la fuerza

magnetomotriz y la longitud de las líneas de campo. 19. La permeabilidad es una característica magnética de la materia. 20. La permeabilidad nos indica con qué facilidad atraviesa el campo magnético

la materia, o sea si ésta es buena conductora o no del campo magnético. 21. La permeabilidad del vacío es el cociente entre la inducción magnética y la

intensidad de campo magnético en el vacío. 22. La permeabilidad relativa indica en qué proporción varía el efecto del campo

magnético respecto al vacío. 23. Sobre un conductor, recorrido por una corriente y situado en un campo

magnético, actúa una fuerza. El sentido de esta fuerza depende del sentido de la corriente del conductor y del sentido del campo magnético.

24. Una bobina recorrida por una corriente y situada en un campo magnético efectúa un giro. El sentido del giro depende del sentido de la corriente en la bobina y del campo magnético.

25. Dos conductores recorridos por corrientes en el mismo sentido se atraen. 26. Dos conductores recorridos por corrientes en sentidos opuestos se repelen. 27. Cuando en un campo magnético se mueve un conductor cortando las líneas

de campo, en el conductor se inducirá una tensión. El sentido de esta tensión inducida depende del sentido de movimiento del conductor y del sentido de las líneas del campo magnético.


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28. La corriente inducida por el movimiento de un conductor en un campo magnético tendrá un sentido tal que se oponga al movimiento que originó dicha corriente (Ley de Lenz).

29. En una bobina se induce una tensión cuando varía el flujo magnético. El sentido de la tensión inducida depende del sentido de variación del flujo.

30. La tensión inducida es tanto mayor cuanto menor es el tiempo en el que varía el flujo magnético.

31. La tensión inducida es tanto mayor cuanto mayor es el número de espiras. 32. En los transformadores las tensiones están en la misma relación que los

números de espiras. 33. En un transformador las corrientes están en proporción inversa a los

números de espiras.

Magnitud / símbolo Unidad / símbolo 1 Flujo magnético Φ Weber (Wb) 2 Inducción magnética B Tesla (T) 3 Fuerza magnetomotriz FMM Ampere-vuelta (A v) 4 Intensidad de campo H Ampere-vuelta / metro (A v / m) 5 Reluctancia R Ampere-vuelta / weber (A v / Wb) 6 Permeabilidad µ Henrios / metro (H / m) 7 Número de espiras N -


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9. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. ¿Cuál de los siguientes elementos es ferromagnético: aluminio,

carbono, cobalto, cobre y germanio? 2. ¿Cuál es la causa del flujo magnético? 3. ¿Cuál es la dirección de las líneas de campo magnético en el

interior de un imán? 4. ¿Cuál es la magnitud magnética que nos indica con qué facilidad atraviesa el

campo magnético la materia? 5. ¿De qué depende el sentido de giro de una bobina al ser recorrida por una

corriente y situada en un campo magnético? 6. ¿Qué ocurre en dos conductores que son recorridos por corrientes en sentido

contrario? 7. Un transformador tiene en la bobina primaria 2 400 espiras y en la

secundaria, 2 100 espiras. Si se le aplican 220 V en el primario ¿Cuánta tensión se induce en el secundario?

8. En un transformador de 10 kV / 0,22 kV ¿Cuál de las bobinas será de mayor sección?

9. ¿De qué material se fabrican los núcleos de los transformadores? 10. A un transformador de 220 V / 110 V se le aplican 220 VDC, ¿Qué ocurre?


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10. RESPUESTAS A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Cobalto. 2. La fuerza magnetomotriz. 3. De sur a norte. 4. La permeabilidad magnética. 5. Del sentido de la corriente y la polaridad del campo

magnético. 6. Se repelen. 7. 192,5 V. 8. La bobina de 0,22 kV (la de baja tensión). 9. De acero (al silicio, preferentemente). 10. La tensión DC aplicada al primario no induce tensión en el secundario.

Además, si el transformador es de baja potencia, se puede quemar la bobina primaria.


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ANOTACIONES

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