Imanes Naturales

QUE ES UN IMAN:Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades deforma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.
En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.

IMANES NATURALES: se refiere a minerales naturales, los cuales tienen la propiedad de atraer elementos como el hierro, el níquel, etc.
La magnetita es un imán de este tipo, compuesto por óxido ferroso férrico, cuya particularidad principal consiste en atraer fragmentos de hierro natural.
PROPIEDADESLos imanes poseen dos zonas en las que se concentra la fuerza que ejercen, estas zonas son los extremos del imán y reciben el nombre de polos magnéticos, norte y sur. Los polos del mismo nombre se repelen y los polos opuestos se atraen. Compruébalo.
EJEMPLOS:
imanes naturales: son aquellos que se encuentran en la Tierra y que atraen al hierro. Denominados magnetita ,Un imán natural es un mineral con propiedades magnéticas (magnetita).
PRINCIPAL EJEMPLO DE IMÁN NATURAL:
LA TIERRA ES UN IMÁN GIGANTESCO
Porque posee un campo magnético natural. Este se debe a que en el centro del planeta existen metales líquidos (por la temperatura tan alta que hay ahí), y cuando estos se mueven producen un campo magnético que es detectable de manera sencilla. Un ejemplo sencillo son las auroras boreales; estos son fenómenos muy bonitos en donde al entrar partículas cargadas del espacio a la tierra, producen colores muy llamativos en la atmósfera.

IMANES ARTIFICIALES:

Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo, ya sea mediante frotamiento con un imán natural o por la acción de corrientes eléctricas aplicadas en forma conveniente (electroimantación): Imanes artificiales permanentes.- Son las sustancias magnéticas que al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes, y conservan durante mucho tiempo su propiedad de atracción. Imanes artificiales temporales.- Aquellos que producen un campo magnético sólo cuando circula por ellos una corriente eléctrica. Un ejemplo es el electroimán.

Leyes magnéticas:

Así como un conductor al que se le hace pasar corriente genera un campo magnético, del mismo modo un imán puede generar una corriente eléctrica. Este fenómeno no se conoce como inducción electromagnética y se estudia a través de las leyes de Faraday y Lenz.

Faraday descubrió que se producen corrientes eléctricas cuando el efecto magnético cambia. Cuanto mayor sea el cambio del flujo, mayor será el valor de la corriente eléctrica que se induzca en el alambre conductor. La corriente eléctrica generada por el efecto de un campo magnético variable se denomina corriente inducida.

Si a una espira que esta conectada a un medidor de corriente eléctrica, como un galvanómetro, se le acerca o aleja un imán el galvanómetro indicara una lectura positiva o negativa de acuerdo con el movimiento del imán Los mismo sucede si el imán se queda quieto y la bobina se mueve. Pero si deja de moverse alguno, el galvanómetro no indica ningún valor. Se dice que se induce una fuerza electromotriz (FEM), que será mas intensa al avanzar o mover mas rápido el imán hacia el conductor, el conductor hacia el imán o ambos.

LEYES MAGNETICAS

-Ley de Lorentz.

- Ley de Gauss.

-Ley de los polos de un imán.

-Ley de la inseparabilidad de los polos magneticos.

Con base en los experimentos de Faraday, se concluye que:

Las corrientes inducidas se producen cuando se mueve un conductor en sentido transversal a las líneas de flujo del campo magnético.

La inducción electromagnética da origen a una fuerza electromotriz (FEM) y a una corriente eléctrica inducida como resultado de la variación del flujo magnético debido al movimiento relativo entre conductor y un campo magnético.

E= -N ∆ϕ / ∆t

La ley de Faraday se expresa matemáticamente por:

Donde:

E= fuerza electromotriz inducida en volts(V)

N=numero de espiras en una bobina

∆ϕ= cambio en el flujo magnético en webers(wb)

∆t= diferencial de tiempo en segundos

Michael Faraday, FRS, (Newington, 22 de septiembre de 1791 - Londres, 25 de agosto de 1867) fue un físico y químico británico que estudió el electromagnetismo y la electroquímica.

En 1831 trazó el campo magnético alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica (ya descubierta por Oersted), y ese mismo año descubrió la inducción electromagnética, demostró la inducción de una corriente eléctrica por otra, e introdujo el concepto de líneas de fuerza, para representar los campos magnéticos. Durante este mismo periodo, investigó sobre la electrólisis y descubrió las dos leyes fundamentales que llevan su nombre:

La masa de la sustancia liberada en una electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado a través del electrolito masa = equivalente electroquímico, por la intensidad y por el tiempo (m = c I t).

Las masas de distintas sustancias liberadas por la misma cantidad de electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes.

Con sus investigaciones se dio un paso fundamental en el desarrollo de la electricidad al establecer que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento.

Se denomina faradio (F), en honor a Michael Faraday, a la unidad de capacidad eléctrica del SI de unidades. Se define como la capacidad de un conductor tal que cargado con una carga de un culombio, adquiere un potencial electrostático de un voltio. Su símbolo es F.

Ley de Gauss para el campo magnético:

El campo magnético de una carga puntual posee la propiedad de que sus líneas de campo son circunferencias cerradas en torno a la línea de movimiento de la carga. Es decir, son líneas sin extremos, no como las del campo electrostático, que parten de las cargas positivas y mueren en las negativas.

El campo debido a una corriente es superposición de los campos magnéticos de las cargas que lo componen. Por ello, sus líneas de campo tampoco tienen extremos. En el caso de un hilo rectilíneo y de una espira circular, el las líneas de campo son curvas cerradas. En el caso general pueden ser madejas muy complicadas, pero en cualquier caso sin extremos.

Si se calcula el flujo del campo magnético a través de una superficie cerrada, puesto que todas las líneas de campo magnético que entran por un lado salen por otro (pues no pueden desaparecer en el interior), el resultado es un flujo nulo:

$\oint \vec{B}\cdot\mathrm{d}\vec{S}=0$

Esta es la ley de Gauss para el campo magnético. Es una ley universal que se cumple en toda circunstancia.

Podría pensarse que los imanes no satisfacen esta ley. Después de todo, los imanes poseen polos norte y sur. Un po norte es aquel del que salen las líneas de campo magnético y el polo sur aquél al que llegan. Si uno considera el flujo alrededor del polo norte de un imán, debería obtenerse un flujo positivo, ¿no? No. Si uno analiza lo que ocurre dentro del imán, encuentra que dentro de éste las líneas de campo magnético van del polo sur al polo norte, cerrando la línea y anulando el flujo. Po r ello, al partir un imán en dos no se obtienen dos polos separados, sino dos nuevos imanes, cada uno con sus dos polos.

Ley de Ampère:

Cuando se calcula el campo magnético debido a un hilo rectilíneo por el cual circula una intensidad de corriente

I

se llega al resultado

$\vec{B}=\frac{\mu_0 I}{2\pi\rho}\vec{u}_\varphi$

siendo

ρ

la distancia perpendicular al hilo y $\vec{u}_\varphi$ el vector unitario acimutal. De esta expresión se deduce que las líneas de campo magnético son circunferencias que dan vueltas en torno al hilo de corriente.

Si ahora calculamos la circulación a lo largo de una de estas circunferencias, el resultado es independiente de la distancia al hilo

$\oint \vec{B}\cdot\mathrm{d}\vec{r} = \int_0^{2\pi}\left(\frac{\mu_0 I}{2\pi\rho}\vec{u}_\varphi\right)\cdot(\rho\,\mathrm{d}\varphi\vec{u}_\varphi) = \mu_0I$

Este resultado se puede generalizar a cualquier curva cerrada que envuelva una vez al hilo de corriente. Por contra, si consideramos una curva por el exterior del hilo, puede demostrarse que se anula la circulación del campo magnético.

A partir de aquí el resultado se extiende a un conjunto cualquiera de corrientes. Si tenemos una serie de hilos y una curva C que envuelve solo a algunos de ellos, dejando el resto fuera, la circulación del campo magnético la dan solo aquellas corrientes que son rodeadas por la curva. matemáticamente

$\oint \vec{B}\cdot\mathrm{d}\vec{r}=\mu_0I_T$

Esta es la ley de Ampère para el campo magnético creado por corrientes estacionarias: la circulación del campo magnético a lo largo de una curva cerrada C es igual a la permeabilidad del vacío multiplicada por la corriente total que atraviesa una superficie S apoyada en la curva C y orientada según la regla de la mano derecha. El signo de cada una de las corrientes será positivo si fluye en el sentido indicado normal a S y negativo en caso contrario.

la ley de Ampère puede escribirse en función de la densidad de corriente como

$\oint \vec{B}\cdot\mathrm{d}\vec{r}=\mu_0\int_S\vec{J}\cdot\mathrm{d}\vec{S}$

Generadores eléctricos:

INTRODUCCIÓN

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).

En la actualidad, la generación de C.C. se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene de la conversión de C.A. a C.C. mediante los puentes rectificadores. El uso de la dinamo para la producción de energía en forma de C. C. se estuvo utilizando hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente desplazada. Hoy en día únicamente se utilizan las dinamos para aplicaciones específicas, como por ejemplo, para medir las velocidades de rotación de un eje (tacodinamos), ya que la tensión que presentan en los bornes de salida es proporcional a la velocidad de la misma.

Se puede decir que una dinamo es una máquina eléctrica rotativa que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Esta máquina consta fundamentalmente de un electroimán encargado de crear un campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor, y un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre, que se hacen girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor, que se conoce como inducido.

GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA (O DINAMOS)

1 Producción de corriente alterna en una espira que gira en el seno de un campo magnético

FIGURA 1.1. Alternador Elemental

Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre las masas polares de un electroimán inductor (véase Figura 1.1), los conductores a y b del inducido cortan en su movimiento el campo magnético fijo y en ellos se induce una f.e.m. inducida cuyo valor y sentido varía en cada instante con la posición.

Cada uno de los terminales de la espira se conecta a un anillo metálico conductor, donde dos escobillas de grafito recogen la corriente inducida y la suministran al circuito exterior.

Para determinar el sentido de la corriente inducida, en cada posición de los conductores, de la espira se aplica la regla de los tres dedos de la mano derecha, pudiéndose comprobar cómo se obtiene a la salida una tensión alterna senoidal.

2. Rectificación de la corriente mediante el colector de delgas

Dado que lo que deseamos es obtener corriente continua en la salida del generador, necesitamos incorporar un dispositivo que convierta la C.A. generada en C.C. Esto se consigue mediante el colector de delgas.

Si, tal como se muestra en la Figura 1.2, conectamos los dos extremos de la espira, no ya en los dos anillos colectores, sino en dos semianillos conductores aislados uno del otro, sobre los que ponemos en contacto dos escobillas que recojan la corriente, conseguiremos obtener a la salida C.C.

Cuando la espira gira, la corriente inducida cambia de sentido en una determinada posición. Si observamos atentamente en la Figura 1.3 las dos posiciones de la espira, ésta es solidaria a los dos semianillos 1 y 2 que giran con ella. Sin embargo, las escobillas A y B son fijas.

Figura 1.3. El sentido de la corriente permanece constante en la salida de la espira gracias al colector de delgas.

En la posición de la Figura 13. a, la corriente inducida en los conductores a y b posee el sentido que se indica con las flechas. El semianillo 1 está en contacto con la escobilla A, y el semianillo 2 con la escobilla B.

Al girar la espira hasta la posición de la Figura 1.3 b, la corriente inducida en los conductores a y b ha cambiado de sentido, tal como se indica con las flechas, pero como el semianillo 1 está ahora en contacto con la escobilla B y el semianillo 2 queda en contacto con la escobilla A, el sentido de la corriente no cambia en los conductores A y B que suministran energía a la carga.

En resumen, la corriente que fluye por la espira es alterna, pero el colector formado por los semianillos aislados consiguen rectificar la corriente y convertirla en continua.

Con una sola espira y dos anillos colectores conseguimos una corriente continua similar a la obtenida en un puente rectificador de onda completa, tal como se muestra en la Figura 1.4.

Motor eléctrico:

El motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estátor y un rotor.

Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se diseñan adecuadamente.

Son utilizados en infinidad de sectores tales como instalaciones industriales, comerciales y particulares. Su uso está generalizado en ventiladores, vibradores para teléfonos móviles,bombas, medios de transporte eléctricos, electrodomésticos, esmeriles angulares y otras herramientas eléctricas, unidades de disco, etc. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC), y por fuentes de corriente alterna (AC).

La corriente directa o corriente continua proviene de las baterías, los paneles solares, dínamos,fuentes de alimentación instaladas en el interior de los aparatos que operan con estos motores y con rectificadores rudimentarios. La corriente alterna puede tomarse para su uso en motores eléctricos bien sea directamente de la red eléctrica, alternadores de las plantas eléctricas de emergencia y otras fuentes de corriente alterna bifásica o trifásica como los inversores de potencia.

Los pequeños motores se pueden encontrar hasta en relojes eléctricos. Los motores de uso general con dimensiones y características más estandarizadas proporcionan la potencia adecuada al uso industrial. Los motores eléctricos más grandes se usan para propulsión detrenes, compresores y aplicaciones de bombeo con potencias que alcanzan 100 megavatios. Estos motores pueden ser clasificados por el tipo de fuente de energía eléctrica, construcción interna, aplicación, tipo de salida de movimiento, etcétera.

Historia

Werner von Siemens patentó en 1866 la dinamo. Con ello no sólo contribuyó al inicio de los motores eléctricos, sino también introdujo el concepto de Ingeniería Eléctrica, creando planes de formación profesional para los técnicos de su empresa. La construcción de las primeras máquinas eléctricas fue lograda en parte, en base a experiencia práctica. A mediados de la década de 1880, gracias a la teoría desarrollada por James Clerk Maxwell y al éxito de Werner von Siemens, la ingeniería eléctrica se introdujo como disciplina en las universidades.

La fascinación por la electricidad aumentó con la invención de la dinamo. Karl Marx predijo que la electricidad causaría una revolución de mayores alcances que la que se vivía en la época con las máquinas de vapor. Antonio Pacinotti inventó el inducido en forma de anillo en una máquina que transformaba movimiento mecánico en corriente eléctrica continua con una pulsación, y dijo que su máquina podría funcionar de forma inversa. Ésta es la idea del motor eléctrico de corriente continua.

Los primeros motores eléctricos técnicamente utilizables fueron creados por el ingeniero Moritz von Jacobi, quien los presentó por primera vez al mundo en 1834.

Principio de funcionamiento

Los motores eléctricos son dispositivos que transforman energía eléctrica en energía mecánica. El medio de esta transformación de energía en los motores eléctricos es el campo magnético. Existen diferentes tipos de motores eléctricos y cada tipo tiene distintos componentes cuya estructura determina la interacción de los flujos eléctricos y magnéticos que originan la fuerza o par de torsión del motor.

El principio fundamental que describe cómo es que se origina una fuerza por la interacción de una carga eléctrica puntual q en campos eléctricos y magnéticos es la Ley de Lorentz:¹

\mathbf{F} = q(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})

donde:

q-carga eléctrica puntual

\mathbf{E}

-Campo eléctrico

\mathbf{v}

-velocidad de la partícula

\mathbf{B}

-densidad de campo magnético

En el caso de un campo puramente eléctrico la expresión de la ecuación se reduce a:

\mathbf{F} = q \mathbf{E}

La fuerza en este caso está determinada solamente por la carga q y por el campo eléctrico

\mathbf{E}

. Es la fuerza de Coulomb que actúa a lo largo del conductor originando el flujo eléctrico, por ejemplo en las bobinas del estátor de las máquinas de inducción o en el rotor de los motores de corriente continua.

En el caso de un campo puramente magnético:

\mathbf{F} = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})

La fuerza está determinada por la carga, la densidad del campo magnético

\mathbf{B}

y la velocidad de la carga

\mathbf{v}

. Esta fuerza es perpendicular al campo magnético y a la dirección de la velocidad de la carga. Normalmente hay muchísimas cargas en movimiento por lo que conviene reescribir la expresión en términos de densidad de carga

\rho

y se obtiene entonces densidad de fuerza

\mathbf{Fv}

(fuerza por unidad de volumen):

\mathbf{F} = \rho(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})

Al producto

\rho\mathbf{v}

se le conoce como densidad de corriente

\mathbf{J}

(amperes por metro cuadrado):

\mathbf{J} = \rho \mathbf{v} \,\!

Entonces la expresión resultante describe la fuerza producida por la interacción de la corriente con un campo magnético:

\mathbf{Fv} = \mathbf{J} \times \mathbf{B}

Este es un principio básico que explica cómo se originan las fuerzas en sistemas electromecánicos como los motores eléctricos. Sin embargo, la completa descripción para cada tipo de motor eléctrico depende de sus componentes y de su construcción.

Ventajas

A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.
Se pueden construir de cualquier tamaño y forma, siempre que el voltaje lo permita.
Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.
Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75 %, aumentando a medida que se incrementa la potencia de la máquina).
Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro, sí se emiten contaminantes.
No necesita de refrigeración ni ventilación externa, están autoventilados.
No necesita de transmisión/marchas.

Motores de corriente continua

Artículo principal: Motor de corriente continua

Diversos motores eléctricos.

Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:

Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:

Motores de corriente alterna

Existen tres tipos, siendo el primero y el último los más utilizados:

Motor universal, puede trabajar tanto en CA como en CC.
Motor asíncrono
Motor síncrono

Usos[editar]

Oceanvolt, motor eléctrico marino

Los motores eléctricos se utilizan en la gran mayoría de las máquinas modernas. Su reducido tamaño permite introducir motores potentes en máquinas de pequeño tamaño, por ejemplo taladros o batidoras. Su elevado par motor y alta eficiencia lo convierten en el motor ideal para la tracción de transportes pesados como trenes; así como la propulsión de barcos, submarinos y dúmperes de minería, a través del sistema Diésel-eléctrico.

Cambio de sentido de giro

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

Para motores monofásicos únicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualmente o con relés conmutadores
Para motores trifásicos únicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.
Para motores de corriente alterna es necesario invertir los contactos del par de arranque.

Regulación de velocidad

Síncronos trifásicos existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor. Esto último es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander² pero sólo es posible tener un cambio de polaridad limitado ejem: 2 polos y 4.

La Física...!

lunes, 1 de diciembre de 2014