MAGNETISMO Y ELECTRICIDAD

Campo magnético

Un campo magnético es una región del espacio donde existen fuerzas magnéticas (fuerzas que atraen o repelen metales). Un campo magnético tiene dos polos, polo Norte (N) y polo sur (S). Estos polos se encuentran en los extremos del campo. Si tenemos dos campos, sus polos opuestos hará que se atraigan y sus polos iguales hará que los dos campo se separen. El ejemplo más claro son los imanes. Los imanes a su alrededor crean un campo magnético, zona donde son atraídos ciertos metales (como el hierro).





Las líneas de campo magnético son una forma de representar este campo magnético. Los campos magnéticos pueden ser generados por imanes o por corrientes eléctricas. Las líneas nos indican lo fuerte que es el campo y hasta donde llega su acción. Cuanto más juntas estén más fuerte es el campo magnético y la superficie que ocupen estas líneas es la zona donde hay campo magnético (donde habría atracción magnética hacia los metales).

(FUENTE:http://www.areaciencias.com/fisica/campo-magnetico.html)

 Fuerza y momento sobre una espira

        Fuerza

La figura representa una espira rectangular cuyos lados miden a y b. La espira forma un ángulo θ con el plano horizontal y es recorrida por una corriente de intensidad i, tal como indica el sentido de la flecha roja en la figura.

La espira está situada en una región en la que hay un campo magnético uniforme B paralelo al plano horizontal (en color gris), tal como indica la flecha de color azul en la figura.

Calcularemos la fuerza que ejerce dicho campo magnético sobre cada uno de los lados de la espira rectangular.

Fm=iuˆt×B⋅L

donde, u_t es un vector unitario que nos señala la dirección y el sentido en el que se mueven los portadores de carga positivos.

• La fuerza F₁ sobre cada uno de los lados de longitud a, está señalada en la figura y su módulo vale
F₁=i·1·B·a·sin90º=iBa.

• La fuerza F₂ sobre cada uno de los lados de longitud b, es

F₂=i·1·B·b·sinθ =iBb·sinθ
Esta fuerza tiene la dirección del eje de rotación de la espira y sentidos opuestos.
La fuerza F₂ es nula cuando la espira está contenida en el plano horizontal θ=0º y es máxima, cuando el plano de la espira es perpendicular al plano horizontal θ=90º.

      Momento

La fuerza resultante sobre la espira es nula, sin embargo, las fuerzas sobre los lados de longitud a no tienen la misma línea de acción y forman un par de momento.
M=2F₁·(b/2)·cosθ =i·ab·B·cosθ =i·S·B·cosθ
La dirección momento M es la del eje de rotación de la espira y el sentido viene dado por la regla del sacacorchos, tal como se señala en la primera figura.

Definimos una nueva magnitud denominada momento magnético μ de la espira.

• Cuyo módulo es el producto de la intensidad de la corriente i por el área S de la espira.
• Su dirección es perpendicular al plano de la espira.
• Su sentido viene determinado por el avance de un sacacorchos que gire como lo hace la corriente en la espira.

El momento se puede expresar en forma de producto vectorial de dos vectores, el vector momento magnético μ y el vector campo magnético B.
M=μ×B

Como vemos en la figura

• Su módulo es M=μ·B·sin(90+θ )=μ·B·cosθ =iS·B·cosθ
• Su dirección es perpendicular al plano determinado por los dos vectores, es decir, el eje de rotación de la espira.
• Su sentido es el del avance de un sacacorchos que gire desde el vector μ hacia el vector B por el camino más corto.

Cuando el vector campo B y el vector momento magnético μ son paralelos, el momento M es nulo, esta es una posición de equilibrio.
Aunque la fórmula del momento M se ha obtenido para una espira rectangular, es válida para una espira circular o de cualquier otra forma.
 (FUENTE:http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/magnetico/momento/momento.html)

 FUERZA ELECTROMOTRIZ

La fuerza electromotriz (FEM)  es la energía que proviene de cualquier fuente, medio o dispositivo capaz de generar corriente eléctrica, esto hace que sea necesario la existencia de diferencia de potencial entre dos puntos (positivo y negativo) de esa fuente y que pudiera producir el movimiento de cargas eléctricas dentro de un circuito cerrado.

Dispositivos que crean fueza electromotriz:

-BATERÍAS

-MÁQUINAS ELECTROMAGNÉTICAS

FUERZA ELECTROMOTRIZ

Es aquella fuerza en la que las cargas eléctricas se ponen en movimiento si se produce un campo magnético cerca de una bobina , un imán, un electroimán.
El hecho de que exista corriente eléctrica se debe a que exista una fuerza electromotriz inducida y para esto es necesario una variación del campo magnético en el tiempo.
El circuito donde se genera la corriente se denomina inducido y el campo magnético inductor.

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LEY DE FARADAY

Enuncia que el voltaje inducido en un circuito cerrado resulta directamente proporcional a la velocidad con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una dada superficie con el circuito haciendo de borde.

Es decir, la fuerza electromagnética inducida en cualquier circuito cerrado es igual al negativo de la velocidad del tiempo del flujo magnético encerrado por el circuito.

Aplicaciones: 

       -Vitrocerámica de inducción:

       -Motores eléctricos: EE->EM

     

LEY DE LENZ 
Plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo.
"El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variación del flujo".
La ley de LENZ sirvió para completar la ley de Faraday, por eso puede aparecer con el nombre de FARADAY-LENZ.  

   -Permite conocer el sentido de la corriente sin hacer cálculos:
       -Sea un campo magnético con flujo variable en una superficie.
       -En un medio conductor (bobina, espira..) aparece corriente eléctrica inducida que genera un campo magnético.
       -Hay dos campos magnéticos: el externo y el asociado a la corriente inducida. 

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Cuando se mueve un conductor en un campo magnético, en dirección tal que corte las líneas de fuerza, se induce en el conductor una fuerza electromotriz.

Si el conductor de la figura  se mueve hacia abajo a través del campo magnético, se ecrea en el conductor una fem en el sentido indicado. Si el conductor se mueve hacia arriba, la fem crea es de sentido opuesto. Si se mueve paralelamente a las línes de fuerza, no se crea fem en el conductor.

En las siguientes figuras  se muestra cuando un electrón o protón se mueven en un campo magnético en dirección perpendicular al campo, están sometidos a una fuerza que es a la vez perpendicular al campo y a la dirección del movimiento en el mismo.

Cuando este conductor se mueve hacia abajo a través del campo, los electrones experimentan una fuerza que tienden a moverlos a lo largo del conductor en un sentido, mientras que los protones están sometidos a una fuerza que tiende a moverlos a lo largo del conductor en sentido opuesto.

(FUENTES: https://espaciociencia.com/ley-de-faraday-induccion-electromagnetica/

 http://iesalfonsox.es/wp-content/uploads/2015/09/Tema6-Inducci%C3%B3n.pdf
https://es.slideshare.net/MNG7/fuerza-electromotriz-9131031
http://www.areatecnologia.com/electricidad/induccion-electrica-electromagnetica.html
https://www.ecured.cu/Fuerza_Electromotriz
http://elfisicoloco.blogspot.com.es/2013/02/ley-de-lenz.html)

  MOTORES ELÉCTRICOS

Motores de corriente continua:

Los motores de corriente continua  se utilizan en casos en los que es importante regular  la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos. Los motores de corriente directa pueden ser de tres tipos:
• Serie
• Paralelo
• Mixto

Estator

Es una corona de material ferromagnético, llamado carcasa, en cuyo interior se encuentran, en número par, los polos inductores,están constituidos por un núcleo y por unas expansiones en sus extremos. Alrededor de los polos se encuentran unas bobinas, que constituyen el devanado inductor, generalmente de hilo de cobre aislado, que al ser alimentados por una corriente continua, generan el campo inductor de la máquina, presentando alternativamente polaridades norte y sur (siempre debe haber un número par de polos).

Polos auxiliares

En las máquinas de cierta potencia se encuentran distribuidos alternativamente entre éstos, otros polos auxiliares o de conmutación, macizos y sin expansiones, cuya misión es facilitar la conmutación y evitar la generación de chisporroteo en el contacto entre las delgas del colector y las escobillas.

Entrehierro

Así se llama al espacio que hay entre el estator y el rotor, es imprescindible que exista para evitar el rozamiento entre ambos, aunque debe ser lo menor posible, ya que el aire presenta una elevada reluctancia magnética, y si el entrehierro fuese muy amplio se debilitaría el campo magnético inductor.

Rótor

Construido con chapas de acero con bajo contenido en silicio de 0,5 mm de espesor, aisladas unas de otras por una capa de barniz o de óxido, está montada sobre el eje de la máquina. En su superficie externa tiene practicadas unas ranuras de una cierta inclinación respecto a su generatriz donde van alojadas las bobinas del devanado inducido de la máquina, generalmente de hilo de cobre convenientemente aislado.

Colector de delgas

Va montado sobre el eje de giro y debe disponer de tantas delgas como bobinas tiene el devanado inducido, cada delga está unida eléctricamente al punto de conexión de una bobina con otra. Las delgas están fabricadas de cobre de elevada pureza y están separadas unas de otras por unas delgadas películas de mica que las mantienen aisladas.

Escobillas

Son los elementos que aseguran el contacto eléctrico entre las delgas del colector y el circuito de corriente continua exterior, están fabricadas de carbón (grafito) y permanentemente están rozando sobre el colector, van sujetas en un collarín portaescobillas que mantiene la presión prevista mediante elementos elásticos para asegurar que el contacto sea el adecuado, por ello se produce un desgaste progresivo que acorta su vida útil, teniendo que sustituirlas cada cierto tiempo. Desde las escobillas se conecta con la placa de bornes de la máquina.

(FUENTES:https://automatismoindustrial.com/constitucion-motor-corriente-continua/)

Principios de funcionamiento

El funcionamiento de un motor de c.c. se basa en la fuerza que se produce sobre un conductor eléctrico recorrido por una intensidad de corriente eléctrica en el seno de un campo magnético, según la expresión:

F = B * L * I

En la que:

   -B es la inducción de campo magnético (teslas).

   -L es la longitud del conductor cortado por líneas de campo magnético (metros).

   -I es la intensidad que recorre al conductor (amperios).

-F es la fuerza que se produce sobre el conductor (newton).

(FUENTES:https://automatismoindustrial.com/1-3-5-2-principios-de-funcionamiento/)

Arranque 

Es el momento inicial en el que, partiendo del reposo, se conecta a la red, en ese instante el motor debe vencer el par resistente que se le opone constituido por las resistencias debidas a la inercia y a los rozamientos de los órganos móviles del motor, este par resistente debe ser inferior al par de arranque del motor, porque de no ser así el motor no arrancaría. Este régimen es crucial para el motor ya que la intensidad captada de la línea alcanza picos muy elevados que podrían ocasionar graves daños a la línea y quemar los bobinados del motor.

En el instante del arranque, al estar parado el motor su velocidad es nula, por lo que la fuerza contraelectromotriz que es proporcional a la velocidad también es nula. Esto provoca que toda la tensión de alimentación cae en el devanado del inducido, por lo que en el instante del arranque la intensidad que recorre el motor es muy elevada y más aún para motores de gran potencia, que es cuando el motor ha alcanzado una velocidad que se mantiene constante, ya que el par motor y el par resistente de la carga están equilibrados.

La intensidad que recorre el inducido tiene por expresión:

Como en el arranque E=0, ya que ω=0, la expresión anterior resulta:

Por lo que para limitar la corriente de arranque a valores compatibles con los requerimientos del trabajo, y que no provoque efectos perjudiciales para los devanados se introduce una resistencia en serie con el inducido, que consistirá en un reostato de arranque de varios escalones, que en el momento del arranque estará totalmente introducido y que durante el proceso de cebado del motor hasta alcanzar el régimen nominal se va extrayendo, bien manualmente, o bien automáticamente mediante dispositivos electrónicos, el número de saltos o “plots” que presente el reóstato de arranque dependerá de la suavidad que precise el arranque y de la potencia del motor.

Además de estos reóstatos también se utilizan otros equipos, como variadores electrónicos de tensión, generalmente de tiristores (SCR), se alimentan con corriente alterna que convierten en tensión continua variable, permitiendo el arranque por aplicación creciente de tensión, limitando la corriente y el par de arranque.

El criterio para elegir el uso de los diferentes sistemas de arranque suelen ser soluciones de compromiso de tipo técnico-económica.

(FUENTES:http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4933/html/44_fases_de_funcionamiento_de_un_motor.html)

Inversión de giro

Se trata de hacer girar un motor de corriente continua en los dos sentidos posibles de giro (derecha o izquierda). Primero veremos los esquemas y luego la construcción de un sencillo conmutador con madera y una punta que nos permitirá hacer el cambio de giro del motor de una forma barata, práctica y sencilla.

 Un motor cambia de sentido de giro cuando cambia la polaridad en su bornes (contactos) ¡


 De esta forma tendríamos que cambiar la instalación para que girara en un sentido o en otro. Esto no es nada práctico. Lo que queremos conseguir es un esquema con el que podamos cambiar el sentido de giro mediante interruptores o mediante un simple conmutador, y sin cambiar la instalación.


 Y ahora vamos a ver como se construye un simple mecanismo-conmutador muy sencillo y barato y que además nos permitirá hacer que nuestro motor de c.c. gire en el sentido que queramos.

 Para esto haremos un interruptor-conmutador con madera y chapa (o alambre) como el de la figura, y en una posición girara a la derecha y en otra hacia la izquierda: 

(FUENTES:http://www.areatecnologia.com/CAMBIO%20DE%20SENTIDO%20MOTOR.htm)

Motores de corriente alterna

     -Motores monofásicos:

Los motores monofásicos tienen un gran desarrollo debido a su gran aplicación en electrodomésticos,  la motorización, industria y pequeñas máquinas.
Este tipo de motores tiene la particularidad de que pueden funcionar con redes monofásicas, lo que los hace imprescindibles en utilizaciones domésticas.
Los motores monofásicos más utilizados son los siguientes:

• Motores provistos de bobinado auxiliar de arranque
  
• Motores con espira en cortocircuito
  
• Motores universales
  

(FUENTES: http://www.monografias.com/trabajos72/motores-induccion-monofasicos/motores-induccion-monofasicos.shtml#ixzz52NVUYugz)

  -Motores telefásicos:

  Son motores de corriente alterna que generalmente se conectan a una red telefásica. Tienen la característica de una velocidad constante.

Funcionamiento:

 Las bobinas situadas en las ranuras están colocadas de modo que formen 3 arrollamientos llamados fases:

-El nº de bobinas es igual al numero de ranuras (algunos tienen el doble de ranuras)

-Bobinas hexagonales.

Conexiones:

   -CONEXION ESTRELLA: se conectan en estrella las 3 fases del motor

   -CONEXIONES EN PARALELO: tiene dos vías de paso de la corriente

(FUENTES:https://es.scribd.com/document/288135715/Motores-Polifasicos-de-Induccion)