Maquinas electricas_UD01

Máquinas eléctricasJuan Carlos Martín Castillo

Maquinas electricas - por.indd 1 09/07/12 14:16

Magnetismo y electromagnetismo1

vamos a conocer...

1. Magnetismo

2. Campo magnético

3. Electromagnetismo

4. Clasificación de máquinas eléctricas

PRÁCTICA PROFESIONAL

Comprobación del campo magnético generado en una bobina

MUNDO TÉCNICO

El tren de levitación magnética

y al finalizar esta unidad...

Conocerás cuáles son los principios que fundamentan el funcionamiento de las máquinas eléctricas.

Sabrás cómo se comportan los diferentes tipos de materiales ante la presencia de un campo magnético.

Experimentarás cómo el paso de una corriente eléctrica por un conductor o una bobina produce un campo magnético.

Conocerás cuál es la clasificación de las máquinas eléctricas.

Interpretarás cómo son las curvas de magnetización de los materiales ferromagnéticos.

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CASO PRÁCTICO INICIALMagnetismo y electromagnetismo situación de partida

La empresa MantenExpress lleva más de 15 años en el sector

del mantenimiento. Su línea de trabajo se centra principalmente

en las instalaciones eléctricas de viviendas y edificios del sector

terciario. De un tiempo a esta parte, el tejido industrial de su

radio de acción ha crecido de forma considerable, ya que se han

creado numerosas empresas de fabricación de productos para

mecanizado que disponen de un alto grado de automatización.

Sus cadenas de montaje disponen de un buen número de máqui-

nas eléctricas de todo tipo. Esta situación ha generado un nuevo

mercado en el ámbito del mantenimiento por lo que el gerente

de la empresa ha decidido trabajar en esta nueva actividad. Ha

designado a dos de sus empleados para que se formen en todo

lo relacionado con las máquinas eléctricas. Estos tienen mucha

experiencia en tareas de montaje y mantenimiento de instalacio-

nes eléctricas y, aunque en numerosas ocasiones han tenido que

instalar máquinas eléctricas, nunca han realizado operaciones de

mantenimiento o reparación en el interior de las mismas.

Los dos operarios, Fermín y Abel, se ha puesto manos a la obra y

les han surgido todo tipo de dudas y cuestiones como las que se

indican a continuación.

1. Fermín y Abel han observado, en las hojas de caracte-rísticas, que algunos de los motores que han instalado disponen de imanes permanentes de neodimio, ¿a qué se refiere exactamente?

2. Desde el punto de vista del magnetismo, ¿qué ocurre en un conductor cuando es recorrido por una corriente eléctrica?

3. ¿Es posible medir un campo magnético de forma di-recta? ¿Con qué instrumento?

4. Fermín y Abel han desmontado en varias ocasiones máquinas de tipo rotativo y siempre han observado que los devanados se encuentran bobinados sobre núcleos metálicos. ¿Cuál es el motivo de que estos no se hagan al aire?

5. ¿Cualquier material metálico puede ser bueno para construir núcleos magnéticos?

6. En algún catálogo o documentación comercial Fermín y Abel han leído que los mejores resultados para la construcción de transformadores se obtienen utilizan-do chapas de grano orientado, ¿a qué es debido?

7. ¿Qué es la curva de magnetización de un material?

8. ¿Es importante que los núcleos de las máquinas eléc-tricas tengan una alta remanencia?

9. Las máquinas rotativas disponen de un circuito cablea-do en su parte giratoria (rotor), ¿cómo conseguimos alimentarlos sin que los cables se retuerzan?

estudio del caso

Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después, analiza cada punto del tema, con el objetivo de contestar al resto de las preguntas de este caso práctico.


6 Unidad 1

1. MagnetismoLas máquinas eléctricas basan su funcionamiento en los fenómenos del mag-netismo y del electromagnetismo, por tanto será necesario conocerlos para comprender cómo están constituidas, cómo funcionan y cómo actuar en caso de reparación o mantenimiento.

Se denomina magnetismo a la propiedad que tienen determinados materiales, en estado natural o artificial (forzado mediante la aplicación de alguna técnica externa), para atraer el hierro. Así, dicha propiedad puede ser aprovechada para la transformación de energía eléctrica en mecánica, y viceversa.

A los elementos que tienen esa propiedad de atracción se les denomina imanes, pudiendo clasificarse en permanentes y temporales según su capacidad de man-tener el magnetismo.

• Imanes permanentes. Son aquellos en los que los efectos de imanación se mantienen de forma continuada. Pueden estar magnetizados de forma natural o artificial.

S N

N

S

a Figura 1.1. Polos en imanes permanentes.

• Imanes temporales. Son aquellos que mantienen el magnetismo solamente mientras se produce un fenómeno físico de magnetización sobre ellos. Este es el caso de los electroimanes, que solamente mantienen el magnetismo si se aplica corriente a un circuito eléctrico de excitación.

a Figura 1.2. Imán temporal.

Otra clasificación posible los divide en naturales y artificiales en función de cómo haya sido generada la magnetización.

• Imanes naturales. Son de origen mineral y poseen de forma natural esa propie-dad de atracción. Pueden ser cerámicos o de tierras raras. Los de tipo cerámico están formados por bases de óxido de hierro, de estroncio o de bario. Los de tie-rras raras, de elementos como el neodimio y el samario, son la última generación de materiales magnéticos. Son mucho más potentes que los cerámicos, poseen una elevada remanencia y son capaces de trabajar a elevadas temperaturas.

Los fenómenos del magnetismo fueron observados por primera vez por lo griegos en una ciudad de Asía Menor denominada Magne-sia del Meandro, considerándose al filósofo Tales de Mileto como la primera persona que estudió y documentó dicho fenómeno.

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Tierras raras es un grupo de 17 elementos de la tabla periódica que, si bien a principios del siglo xx no tenían demasiada utilidad debido a que eran muy difíciles de separar químicamente, en la actualidad son elementos de alta tecnología, ya que son imprescin-dibles tanto para la fabricación de teléfonos móviles como para la construcción de determinadas máquinas eléctricas controladas de forma electrónica.

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Debido a sus potentes campos magnéticos, los imanes perma-nentes de neodimio han permi-tido crear máquinas rotativas sin devanados eléctricos, permitiendo así simplificar su interior.

caso práctico inicial


Magnetismo y electromagnetismo 7

Algunos de los imanes mencionados son los siguientes:

• Imantes artificiales. En ellos el campo magnético se genera mediante un estí-mulo externo, como puede ser el acercamiento de otro imán o el paso de una corriente eléctrica próxima al metal a magnetizar. Así, dependiendo del tipo de material, la magnetización puede hacerse de forma permanente o temporal. Esta última propiedad es aprovechada para el funcionamiento de las máquinas eléctricas que aquí se van a estudiar.

Las partes de los imanes que poseen mayor fuerza magnética son los denomi-nados polos, que se identifican como norte y sur. La línea de unión de ambos polos se denomina línea neutra, ya que es el lugar en el que es menor la mag-netización.

De todos son conocidas las propiedades de atracción y repulsión de los imanes, según estas, si se intenta unir dos imanes por los polos del mismo signo, estos se repelen.

NS NSN

S NS

Atracción Repulsión

a Figura 1.4. Atracción entre imanes.

Por otro lado, si se hace lo mismo por polos de signo contrario, estos se atraen. Por tanto, este comportamiento de los elementos magnéticos es ampliamente utilizado para hacer funcionar máquinas eléctricas, especialmente las de tipo rotativo.

NS NSN

S NS

Atracción Repulsión

a Figura 1.5. Repulsión entre imanes.

a Figura 1.3. Diferentes tipos de imanes permanentes cerámicos y de neodimio (Cortesía de IMA S.L.).

La Tierra se comporta como un gran imán, lo cual ha sido aprove-chado durante siglos para tareas de orientación. Para ello se utiliza la conocida brújula magnética, que se orienta con el campo mag-nético terrestre.

N

S

Magnético

Geográfico

Es importante saber que el norte geográfico no coincide con el nor-te magnético. Así, al ángulo com-prendido entre ambos se le deno-mina declinación magnética.

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Hasta no hace mucho tiempo, el uso de los imanes permanentes en el campo de las maquinas eléc-tricas se reducía a la construcción de motores de baja potencia. Sin embargo, con la introducción en los años 90 de elementos magné-ticos como en neodimio, se ha per-mitido su aplicación en una amplia gama de máquinas de aplicación industrial.

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a Figura 1.6. Motor eléctrico de imanes permanentes.


8 Unidad 1

2. Campo magnéticoEs la región del espacio en la que se perciben las fuerzas magnéticas de un imán o de un elemento magnetizado. En él se produce un desplazamiento de cargas cuyo sen-tido se ha establecido por convención, del polo norte al polo sur. Se representan de forma gráfica mediante las de nominadas líneas de fuerza o de inducción magnética.

Así, si se pudieran visualizar las líneas de fuerza que se producen cuando dos ima-nes se acercan entre sí, se observaría algo similar a lo representado en las siguien-tes figuras. Cuando se unen dos polos del mismo signo, las líneas se enfrentan y por tanto se repelen.

NS N S

a Figura 1.7. Líneas de fuerza en dos imanes en repulsión.

Por el contrario, si se unen dos polos del diferente signo, las líneas de fuerza se suman y los imanes se atraen.

NS NS

a Figura 1.8. Líneas de fuerza en dos imanes en atracción.

2.1. Flujo magnético

Es el número total de líneas de fuerza que forman un campo magnético. El flujo mag-nético se representa mediante la letra griega Φ (fi), cuya unidad es el weber (Wb).

2.2. Inducción magnética

Es la cantidad de líneas de fuerza que traspasa una unidad de superficie. La in-ducción magnética, también denominada como densidad de flujo magnético, se representa con la letra B, aunque durante mucho tiempo se ha estado utilizando la letra griega b (beta). La unidad es el tesla (T).

La relación existente entre el flujo y la inducción magnética es la siguiente:

Φ = B · S

La variable S representa la superficie que atraviesan las líneas de campo. Se mide en m2.

El Sistema Internacional de medi-da (SI) es ampliamente aceptado por la mayoría de los países. Este ha sustituido casi por comple-to al sistema cegesimal (CGS); sin embargo, algunos autores y miembros de la comunidad cientí-fica siguen usando el formato CGS para tomar medidas en sistemas electromagnéticos. Por tanto, es conveniente saber que el maxvelio (Mx) es la unidad del flujo magné-tico, y el gauss (Gs) la de la induc-ción magnética.

La relación entre las unidades de la misma magnitud para el Sistema Internacional es la siguiente:

1 Wb = 108 Mx

1 T = 104 Gs

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El campo magnético puede ser medido de forma directa, y sin conexión física, mediante un ins-trumento denominado teslámetro.




El instrumento que permite conocer el valor de inducción magnética en un cam-po magnético se denomina teslámetro. Dicho aparato funciona a partir de la re-cepción de los valores enviados por una sonda basada en un sensor de efecto Hall.

En la siguiente figura pueden distinguirse las partes de un teslámetro:

La calidad de la chapa magnética utilizada en las máquinas eléctricas depende de la información que da el fabricante en función de los valores de la inducción magnética. Así, con valores altos de inducción, los resultados en el circuito magnético serán mejores. De hecho, los materiales empleados en este caso serán más caros y no resultarán válidos para todas las aplicaciones. Un ejemplo podría ser el de un transformador que utiliza una chapa metálica que trabaja a 1,5 T, en este caso el rendimiento de dicho transformador sería mayor que en el caso de trabajar con una chapa para 1 T. Aun así, es importante recordar que el acabado del primero sería más caro que el del segundo.

c Figura 1.9. Teslá-metro con sonda de efecto Hall (Cortesía de 3B Scientific).

actividades

1. Utilizando un teslámetro experimenta cómo cambia el valor del campo magnético de diferentes tipos de ima-nes permanentes (ferrita, neodimio, etc.). Realiza la comprobación acercando y alejando la sonda a los polos y sobre la línea neutra.

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1000

Sonda

Teslámetro

NS

Imán

a Figura 1.10. Medida del campo magnético de un imán con un teslámetro.

El efecto Hall debe su nombre al físico de origen americano que lo descubrió a finales del siglo xix. Consiste en aprovechar el campo eléctrico que se produce en un conductor por el que circula una corriente eléctrica que se encuen-tra bajo la influencia de un campo magnético.

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10 Unidad 1

3. ElectromagnetismoSe denomina electromagnetismo a aquella parte de la electrotecnia que estudia en conjunto los fenómenos eléctricos y magnéticos, así como los efectos que entre ellos producen.

3.1. Campo magnético en un conductor

Cuando un conductor rectilíneo es atravesado por una corriente eléctrica, a su alrededor se crea un campo magnético cuyas líneas fuerza son circulares y concén-tricas al conductor. Así, si el campo es lo suficientemente intenso y se colocan a su alrededor una o más agujas imantadas (por ejemplo, una brújula), dichas agujas se orientarían en el sentido del campo magnético.

Para conocer el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético producido en este conductor, se puede aplicar la denominada regla de la mano derecha. Según dicha regla, el pulgar define el sentido de la corriente eléctrica, y el cierre de los dedos sobre el conductor muestra el sentido del campo magnético.

I

Sentido de laslíneas de fuerza delcampo magnético

Sentido de la corriente

Conductor

a Figura 1.11. Regla de la mano derecha.

Así, el campo magnético creado alrededor del conductor es mayor cuanto mayor es la corriente eléctrica que lo atraviesa. No obstante, dicho campo se encuentra muy difuminado y no tiene fácil aplicación práctica. Sin embargo, si la disposi-ción del conductor se realiza formado una espira, los campos magnéticos genera-dos tienden a concentrarse en el interior de la misma, ampliándose los efectos de las líneas de fuerza.

3.2. Campo magnético en una espira

En una espira es fácil saber el sentido del campo magnético utilizando la regla de la mano derecha. El sentido de la corriente está marcado por el dedo pulgar, y el del campo magnético por el cierre de los dedeos sobre la mano.

Así la polaridad en ambas caras de la espira es la siguiente:

S N

a Figura 1.14. Polaridad en los lados de una espira.

I

Sentidodel campo magnético

I

I

I

a Figura 1.12. Regla del sacacor-chos.

a Figura 1.13. Campo magnético en una espira.

Otra forma de averiguar el senti-do del campo magnético en un conductor rectilíneo se basa en la regla del sacacorchos, donde el avance de este representa el sen-tido de la corriente, y el giro que realiza al avanzar indica el sentido de las líneas de fuerza.

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El simple hecho de que un con-ductor sea recorrido por una corriente eléctrica, genera un cam-po magnético a su alrededor, sien-do este el principio básico para el funcionamiento de las máquinas eléctricas.




3.3. Campo magnético en una bobina

Si se desea conseguir un campo magnético superior, se pueden unir en serie varias de estas espiras y así sumar sus campos parciales. Esto se consigue realizando con el conductor una bobina o solenoide. En este caso, para conocer cuál es el sentido del campo magnético, se utiliza también la regla de la mano derecha, pero con una interpretación diferente a la utilizada anteriormente. Ahora el sentido de cierre de los dedos sobre la bobina indica el sentido de la corriente y el del dedo pulgar representa el campo magnético.

NS

a Figura 1.15. Campo magnético en una bobina.

3.4. Intensidad de campo magnético

Esta magnitud indica la fuerza de un campo magnético. Se representa con el sím-bolo H y tiene como unidad el amperio-vuelta/metro (Av/m).

Así, un campo magnético es más intenso cuanto mayor es la corriente que lo recorre (I) y el número de espiras (N) que lo forma. Por otro lado, será menor cuanto mayor es la longitud de la bobina (L).

H =

N · IL

3.5. Fuerza magnetomotriz

Es la fuerza que permite mantener el campo magnético en un circuito electromag-nético, por ejemplo en el de una bobina. La fuerza magnetomotriz se representa por la letra F, aunque en ocasiones puede mostrarse como f.m.m, y se mide en amperios-vuelta (Av).

Matemáticamente la fuerza magnetomotriz es directamente proporcional a la corriente (I) que recorre el circuito, siendo la constante de proporcionalidad el número de espiras (N) que lo forman.

F = N · I

Así, se puede afirmar que la intensidad de campo magnético (H) es directamente proporcional a la fuerza magnetomotriz (F) e inversamente proporcional a la longitud de la bobina (L).

H = FL

3.6. Circuito magnético

Si a una bobina se le introduce una barra de hierro en su interior, se comprueba que los efectos del campo magnético generado aumentan de forma considerable. Esto es fácilmente comprobable acercando la sonda de un teslámetro a un circuito con núcleo y a otro sin él.

a Figura 1.16. Hans Christian Oers-ted.

a Figura 1.17. Bobina del circuito magnético de un relé industrial.

El físico danés Oersted fue el pri-mero en evidenciar (en 1820) la relación que había entre electrici-dad y magnetismo. Probó que el paso de una corriente eléctrica por un circuito provocaba un campo magnético a su alrededor.

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12 Unidad 1

Así, resulta evidente que en un circuito magnético con un núcleo de hierro, o cualquier otro material de los denominados ferromagnéticos, el campo magnético aumenta para el mismo valor de corriente y, no solo eso, sino que las líneas de fuerza pueden ser dirigidas en función de la forma física de dicho núcleo.

L L

Nucleo rectangular o cuadradoNucleo toroidal

Bobina Bobina

I

I

a Figura 1.18. Dos tipos de circuitos magnéticos elementales.

Un circuito magnético simple es el denominado electroimán, que consiste en un nú-cleo de hierro y en una bobina que se alimenta con una fuente tensión. Así, al esta-blecer sobre ella el paso de corriente, el núcleo se magnetiza atrayendo los elementos ferromagnéticos que estén a su alrededor. Sin embargo, si se desconecta la fuente de tensión interrumpiéndose la corriente, los efectos magnéticos también desaparecen. Esta propiedad es utilizada en todo tipo de dispositivos eléctricos industriales como relés, contactores, timbres, elementos de bloqueo y retención, etc.

En un circuito con núcleo magnético, para el cálculo de la intensidad de campo (H), L no es la longitud del hilo que forma la bobina, sino que es el perímetro central de su núcleo.

El núcleo al aire de un circuito magnético también genera líneas de fuerza, pero son dispersas y con poca intensidad. No obstante, cuando el núcleo es de material ferromagnético, el campo magné-tico se potencia y puede ser redi-reccionado con facilidad.


Las máquinas que vas a estudiar en las próximas unidades disponen de circuitos magnéticos mucho más complejos que los estudiados hasta ahora. Sin embargo, su fun-cionamiento se basa también en estos principios básicos.

recuerda

a Figura 1.19. Parte del circuito magnético de una máquina rotativa.

actividades

2. Utilizando un teslámetro experimenta cómo cambia el valor del campo magnético de diferentes tipos de ima-nes permanentes (ferrita, neodimio, etc.). Realiza la comprobación acercando y alejando la sonda a los polos y sobre la línea neutra.

Con la siguiente actividad se pretende que experimentes los efectos de un circuito magnético básico. Para ello debes disponer de los siguientes materiales: una pila de 4,5 V (también es posible de 9 V), una brújula, un puñado de virutas o, en su defecto, clips pequeños de oficina, un clavo de unos 10 cm de longitud y 4 mm de diámetro, hilo rígido aislado de 0,25 mm2 (mejor hilo de bobinar esmaltado).

Realiza una bobina de unas 20 ó 25 espiras sobre el clavo, teniendo en cuenta de dejar como unos 15 cm de conductor en cada uno de sus extremos. Pela el cable 1 cm en ambas terminaciones. Ten en cuenta que si el hilo es esmaltado, debe retirase el barniz con una lija o raspándolo con el filo de una tijera de electricista.

Realiza las siguientes comprobaciones:

a. ¿Qué ocurre cuando se alimenta la bobina con la pila y se acercan las virutas a la brújula o a la sonda del teslámetro? Realiza la comprobación por ambos extremos del clavo y por la línea neutra.

b. Realiza lo mismo sacando el clavo de la bobina.

c. Construye una bobina con el doble de espiras y repite las comprobaciones.

d. ¿Qué conclusiones sacas de todo esto?

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1000

Sonda

Teslámetro

BrújulaPila

ClavoHilo de bobinar

Virutas

a Figura 1.20. Elementos necesa-rios para realizar la actividad.



3.7. Materiales para circuitos magnéticos

Los materiales utilizados para los núcleos de circuitos magnéticos pueden ser de diferentes tipos; sin embargo, no todos tienen un comportamiento similar ante el campo magnético que generan o ante el que están expuestos.

Sin entrar en detalles matemáticos avanzados, se puede decir que los átomos de los materiales se comportan como pequeños imanes que interactúan entre sí. A estos átomos se les denomina spines y tienen una orientación magnética propia.

Así, en función de la orientación y de la magnitud de estos spines, además del comportamiento ante un campo magnético externo, los materiales se clasifi-can en:

• Diamagnéticos. En este tipo los spines no disponen de campo magnético; sin embargo, si se les aplica un campo magnético externo, estos se orientan en sen-tido contrario a las líneas de fuerza del campo inductor. Por tanto, se dice que los materiales de este tipo no interaccionan con otros materiales magnéticos. Algunos materiales diamagnéticos son el oro, el silicio, el hidrógeno, el helio, el cobre, el germanio, el bronce, el grafito, etc.

• Paramagnéticos. En este tipo los spines sí disponen de su propio campo mag-nético. Así, cuando se les aplica un campo externo, algunos de ellos tienden a orientarse ligeramente en el sentido de las líneas de fuerza del campo principal. Algunos materiales paramagnéticos son el aire, el titanio, el aluminio, etc.

• Ferromagnéticos. Son aquellos en los cuales los átomos se alinean por comple-to con las líneas de fuerza del campo externo. Es el tipo de material utilizado para la fabricación de circuitos magnéticos en máquinas eléctricas, ya que para valores de corriente no muy elevados, aumenta considerablemente la magne-tización. El hierro es el material ferromagnético por excelencia, no obstante, para la obtención de los mejores resultados en la conducción del campo, suele alearse con cobalto, níquel y/o silicio.

H

Sin magnetización externa Con magnetización externa

a Figura 1.21. Orientación de los átomos de un material ferromagnético.

En cualquier caso, para el estudio de máquinas eléctricas, el material que no es ferromagnético se considera amagnético, es decir, un material que no tiene nin-gún comportamiento especial cuando se encuentra sometido a líneas de fuerza magnéticas.

Los materiales para la constitución de núcleos en circuitos magnéticos se consi-guen con aleaciones que facilitan la orientación aquí nombrada, como la deno-minada chapa de grano orientado.

No todos los materiales son ade-cuados para la construcción de núcleos en circuitos magnéticos. En función de la aplicación, deben utilizarse unos u otros, siendo los denominados ferromagnéticos los más adecuados para la fabricación de máquinas eléctricas.


La chapa de grano orientado es ideal para la construcción de trans-formadores, ya que aumenta el rendimiento y evita pérdidas por exceso de calor. En la fabricación de esta chapa se cuida la orientación de sus cristales de forma que favo-rezcan la dispersión de los campos magnéticos por su interior.



14 Unidad 1

3.8. Reluctancia magnética

Tradicionalmente, a la reluctancia magnética se la compara con la resistencia eléctrica, ya que es la característica que tienen los materiales ferromagnéticos de oponer mayor o menor resistencia a la formación de líneas de fuerza de un campo magnético.

Según la ley denominada de Hopkinson, se establece una expresión similar a la ley de Ohm en la que el flujo magnético (Φ) es directamente proporcional a la fuerza magnetomotriz (F) e inversamente proporcional a la reluctancia (R).

Φ = FR

Por tanto definimos la reluctancia como:

R =

FΦ

Las unidades de medida se dan en Amperios-Vuelta/Weber (Av/Wb).

3.9. Curva de magnetización de un material

Si a un circuito magnético, como el mostrado en la figura, se le conecta una fuen-te de tensión a través de una resistencia variable o reóstato, de tal forma que se pueda regular la intensidad de corriente que circula por él, la intensidad de campo H variará en función de dicha corriente.

R

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1000

Sonda Teslámetro

V

I

a Figura 1.22. Circuito para determinar la curva de magnetización de un núcleo.

Si al núcleo se le acerca un teslámetro, para así poder medir la inducción mag-nética B generada en él, se observará que, inicialmente, con muy poca variación de H, la inducción aumenta considerablemente hasta llegar a un valor en el que por mucho que aumente el valor de la intensidad de campo H, la inducción se mantiene prácticamente estable. A esta zona se la denomina de saturación, ya que el campo B no aumenta, a pesar de H lo haga de forma considerable.

El circuito propuesto se puede realizar de forma experimental, siempre que el material ferromagnético no haya sido magnetizado ninguna vez, ya que de lo contrario estarán siempre presentes los efectos del magnetismo remanente y esto provocará errores en la toma de valores.

Como se verá en las páginas siguientes, para eliminar el magnetismo remanente es necesario aplicar un campo denominado coercitivo, con la misma intensidad del campo aplicado, pero de signo contrario.

Se debe tener en cuenta que los teslámetros, tanto lo de tipo analógico como los de tipo digital, proporcionan valores positivos y negativos. Esto significa que el campo generado es de diferente polaridad, es decir, que pertenece al polo norte o al polo sur del circuito magnético.

Español-InglésCampo magnético: magnetic field

Circuito magnético: magnetic circuit

Corriente eléctrica: electric current

Corriente inducida: induced current

Desmagnetización: desmagnetization

Generador eléctrico: electrical generator

Hierro: iron

Histéresis: hysteresis

Imán: magnet

Inducción magnética: magnetic induction

Magnético: maganetic

Máquina eléctrica: electrical machine

Materiales ferromagnéticos: ferromagnetic materials

Motor de pasos: stepper motor

Par: torque

vocabulario



Una representación de lo anterior es la siguiente:

B

H

Punto de saturaciónmagnética

Chapa de grano orientado

Chapa normal

Aire

a Figura 1.23. Curvas de magnetización.

En la figura anterior se observan las curvas de dos tipos de materiales (chapa de grano orientado y chapa de grano no orientado) y, además, se compara con la del aire, que en lugar de ser una curva es una línea recta cuya magnetización es pequeña respecto a la de los dos materiales ferromagnéticos. En las dos primeros curvas se observa cómo la chapa de grano orientado tiene mejor magnetización para el mismo paso de corriente.

actividades

3. Observa la curva de magnetización de diferentes tipos de materiales y aleaciones ferromagnéticas facilitada por el fabricante de imanes NAFSA S.L. en su catálogo general.

H = intensidad del campo magnético (AV/cm)B = inducción (Teslas)

0

1

2

0 50 100 150H (AV/cm)

B (T

esla

)

Armco Telar 57 St37St60 Acero coladoFundición maleable 20MnCr5Hierro colado

NAFSA S.L.

a Figura 1.25. Curvas de magnetización para diferentes materiales (Cortesía NAFSA S.L.).

Responde a las siguientes preguntas:

a Figura 1.24. Chapa magnética utilizada para la construcción de transformadores.

a. ¿Cuál es el material, de los indicados, que mues-tras mejores características de magnetización?

b. ¿Cuál es el peor?

c. ¿A qué valor aproximado de intensidad de cam-po se satura el acero colado?

d. ¿Y el Armco Telar 57?

e. ¿Cuál es valor máximo conseguido para B?

f. ¿Y el menor?

La curva de magnetización es, como su nombre indica, una cur-va en la que se muestra cómo se comporta un material cuando es sometido a los efectos de un cam-po magnético. Representa la evolu-ción de la inducción magnética en función de la intensidad de campo.

recuerda


16 Unidad 1

3.10. Permeabilidad magnética

Es la capacidad que tienen los materiales de magnetizarse o facilitar el paso de las líneas de fuerza a través de ellos. En cierto modo, se puede decir que la per-meabilidad magnética es la magnitud contraria o inversa de la reluctancia. De este modo se puede afirmar que unos materiales son más permeables que otros a los campos magnéticos.

Esta magnitud se representa por la letra griega µ (Mu) y tiene como unidad el henrio/metro (H/m). Matemáticamente es la relación que existe entre la in-ducción B y la intensidad de campo magnético H, denominándose en este caso permeabilidad absoluta.

µ = BH

La permeabilidad no es una magnitud constante, ya que depende en gran me-dida del campo magnético aplicado. Así, si su curva se representa en la misma gráfica que la de la magnetización, ya que la permeabilidad depende también de los valores de B y H, se observa cómo es mayor en la primera zona de la magnetización y disminuye radicalmente una vez que se ha superado el punto de saturación.

B

H

Curva de magnetización

Permeabilidad µ (H/m)

a Figura 1.26. Curva de permeabilidad comparada con la de imanación.

3.11. Histéresis magnética

Cuando un material ferromagnético es sometido a los efectos de un campo mag-nético externo, como puede ser el inducido por una bobina, este presenta una magnetización que se mantiene mientras duran dichos efectos. Sin embargo, cuando el campo cesa, los materiales presentan aún, en mayor o menor medida, indicios de imanación. A este fenómeno se le denomina remanencia y es la capacidad que tienen los materiales ferromagnéticos de mantener los efectos de magnetización una vez ha finalizado la acción que los ha generado.

La remanencia es favorable para la creación de imanes permanentes, sin embargo, para la fabricación de electroimanes y núcleos de máquinas eléctricas puede ser muy perjudicial produciendo pérdidas de energía por exceso de calor. Por este motivo es de gran importancia la selección adecuada del material en función de la aplicación en la que se va a utilizar.

Se denomina permeabil idad relativa (μr) a la relación entre la permeabilidad absoluta y la per-meabilidad en vacío o constante magnética (μ0).

μr =

μ0

μ

saber más

Si bien una alta remanencia es un dato adecuado para los ima-nes permanentes, no lo es tanto para la construcción de máquinas eléctricas, ya que requieren que los efectos de imanación desapa-rezcan cuanto antes una vez haya cesado la causa que los generó.




El estudio de la remanencia se realiza mediante el análisis de lo que ese de-nomina histéresis magnética. Este proceso consiste en conocer y representar gráficamente, mediante el denominado ciclo de histéresis, el comportamiento de un material ferromagnético que se encuentra sometido a la acción de un campo magnético en el que se van modificando progresivamente los valores de B y H.

cH +H -

B +

B -

1

2

3

4

5

6

7

0

BR

-BR

-HC

HC

M

m

a Figura 1.27. Ciclo de histéresis.

Se debe disponer de un material que no haya sido sometido anteriormente a los efectos de un campo magnético para que sea nula su magnetización inicial.

A continuación se explica en qué consiste el efecto de histéresis magnética en base al gráfico de la figura anterior.

1. Partiendo desde el punto 0, los valores para B y H van aumentando progresi-vamente. Así, si se van adquiriendo pares de valores para estas dos magnitudes, se observa cómo la curva de imanación progresa de la forma representada en la figura como (1).

2. Una vez que se ha alcanzado el punto de saturación M, se disminuyen progresi-vamente los valores para B y H con la misma pauta utilizada para la curva (1). En este caso se observa que cuando H es nuevamente 0, el campo B no lo es, presentándose en este caso un valor BR debido al correspondiente magnetismo remanente. En este caso no existe excitación y, sin embargo, se mantienen los efectos de magnetización en el material sometido al ensayo.

3. Así, si se continua asignado valores negativos a la intensidad de campo H, el campo es nulo cuando se llega al punto –Hc. Este valor es el correspondiente


18 Unidad 1

al denominado campo coercitivo (que es de sentido contrario o negativo) y es el que se debe dar a H para conseguir que desaparezca por completo la rema-nencia del material.

4. Si se continua asignado valores negativos para B y H, se llega hasta el punto de saturación m que es de signo contrario al alcanzado en la primera parte del ciclo (M).

5. A partir de este punto, se disminuye la asignación de valores para B y H, ob-servándose que cuando la intensidad de campo H vuelve a tener valor cero, el campo B mantiene el valor –BR, que es el magnetismo remanente de polaridad contraria al observado en el tramo 3 de la curva.

6. Así, si se siguen asignado valores, positivos para H y negativos para B, se al-canza el punto Hc correspondiente al campo coercitivo (en sentido contrario) que se debe asignar para que el material pierda la remanencia.

Los materiales ferromagnéticos pueden clasificarse como blandos o duros en fun-ción de si pierde o no su remanencia con facilidad. Así, el material para fabricar un imán permanente debe se de tipo duro, con un campo coercitivo grande para evitar que se sea desmagnetizado con facilidad. Sin embargo, los materiales para la construcción de núcleos en máquinas rotativas o transformadores deben se de tipo blando, ya que su remanencia debe ser la menor posible.

H +H -

B +

B -

BR

0

-BR

-HC

HC

m

M

a Figura 1.28. Ciclo de histéresis para un material magnéticamente duro.

En los materiales ferromagnéticos, y por tanto también en las máquinas eléctri-cas, deben tenerse en cuenta las pérdidas por histéresis que se manifiestan en for-ma de calor, y que son mayores cuanto más grande es el área que abarca la curva del ciclo de histéresis. De esta forma, se deduce que las máquinas eléctricas que



generan campos muy variables (como son las de corriente alterna), deben estar construidas con materiales blandos cuyo ciclo de histéresis sea lo más estrecho posible.

H +H -

B +

B -

BR

-BR

-HC

HC

M

m

0

a Figura 1.29. Ciclo de histéresis para un material magnéticamente blando.

3.12. Corrientes parásitas o de Foucault

En un núcleo ferromagnético que se encuentra sometido a la acción de un campo eléctrico se producen una serie de corrientes inducidas que circulan en forma de bucle o torbellino en el interior del núcleo. Estas corrientes generan campos magnéticos que se oponen al campo exterior y provocan que los elec-trones choquen de forma continuada contra las cargas eléctricas de material ferromagnético generando calor y, por consiguiente, las correspondientes pér-didas de energía.

a Figura 1.30. Corrientes parásitas de valor elevado en un núcleo macizo.

Las corrientes de Foucault deben su nombre al científico francés que las descubrió en 1851. No obstante, también se las conoce como corrien-tes parásitas o corrientes torbellino.

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a Figura 1.31. Detalle de núcleo de chapas magnéticas.


20 Unidad 1

Si en las máquinas eléctricas se utilizaran núcleos de hierro macizo, las corrientes parásitas serían tan elevadas que el calor producido generaría pérdidas enormes. Por este motivo, las máquinas, especialmente las de corriente alterna, se constru-yen con finas chapas de hierro al silicio aisladas entre sí que disminuyen de forma considerable las corrientes de Foucault.

a Figura 1.32. Corrientes parásitas de pequeño valor en chapas magnéticas.

3.13. Fuerza ejercida sobre un conductor por el que circula una corriente

Si un conductor por el que circula una corriente eléctrica es sometido a un campo magnético, este conductor tiende a salir de dicho campo en el sentido dado por la regla de la mano izquierda de los tres dedos. Dicha regla se aplica de la siguiente manera: con el dedo índice se indica el sentido del campo, con el dedo pulgar el sentido de la fuerza o movimiento ejercicio en el conductor y con el dedo medio el sentido de la corriente eléctrica.

ejemplo

Si al conductor de la figura se le aplica una corriente eléctrica en el sentido indicado (flecha verde) y se conoce el sentido del campo magnético (flecha violeta), se observa, utilizando la regla de la mano izquierda, que el movimiento del conductor es hacia arriba (flecha azul).

F

BB

I

N

S

I

B

F

B

a Figura 1.34. Ejemplo de aplicación de la regla de la mano izquierda.

En las máquinas eléctricas las corrientes de Foucault son un efec-to no deseado que hay que intentar minimizar para evitar una excesiva pérdida de energía por calor. Sin embargo, en algunas ocasiones, como es el caso de las cocinas vitro-cerámicas de inducción, este fenó-meno es aprovechado precisamen-te para todo lo contrario, generar el suficiente calor para ser capaz de cocinar los alimentos.

A la regla de los tres dedos de la mano izquierda también se la lla-ma regla de Fleming en homenaje al científico que ideó su utilización.

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BF

I

a Figura 1.33. Regla de la mano izquierda.



También se puede representar de forma esquemática y simplificada marcado sobre el papel el sentido del campo. Así, una (X) se indica que el campo es entrante y un punto (·) que es saliente.

Campo entrante Campo saliente

a Figura 1.35. Representación del sentido del campo.

3.14. Fuerza ejercida sobre una espira por la que circula una corriente

Si en lugar del conductor rectilíneo visto anteriormente, se introduce una espira (o bobina), también llamada cuadro móvil, en el interior del campo magnético, cuando por ella circula una corriente, se produce un par de fuerzas, una en cada uno de sus lados activos, que tiende a mover la espira para sacarla del campo.

ejemplo

Si se desea representar de forma esquemática cómo actúa un campo magnéti-co sobre un conductor que es recorrido por una corriente eléctrica, habrá que tener en cuenta algunos datos.

En este ejemplo el campo es entrante, es decir, que apunta en dirección al papel en el que está representado, ya que se indica mediante (X). El sentido de corriente del conductor es de izquierda a derecha. Por tanto, si se aplica la regla de la mano izquierda, se comprueba que el movimiento F del conductor es hacia arriba.

B

F

IConductor

a Figura 1.36. Representación simplificada de la aplicación de la regla de la mano izquierda.

La fuerza F obtenida en el conduc-tor es el producto de tres factores: la corriente que circula por el con-ductor, la longitud del mismo y el valor de la inducción del campo magnético.

F = I · l · B

Si el conductor no corta las líneas de fuerza perpendicularmente, debe ser tenido en cuenta el ángu-lo de inclinación (a), por tanto, la fuerza quedaría:

F = I · l · sen a

Es importante no confundir F con la fuerza magnetomotriz estudia-da anteriormente.

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22 Unidad 1

Así, si se aplica la regla de la mano izquierda en ambos lados activos de la espira, se comprueba que las dos fuerzas tienen sentido opuesto. De tal forma, que si a la espira se le coloca un eje central, la acción de dichas fuerzas provoca que esta gire sobre él. Para que el sentido de la corriente se mantenga al producirse esta rotación, es necesario disponer de un sistema de conmutación, llamado colector, conectado a los bornes de la espira o bobina. De esta forma, aunque se produzca el giro, la polaridad de la alimentación siempre se mantiene, y con ella el sentido de la corriente en ambos lados de la espira.

N

Elemento deconmutación

Espira

Eje

F

FB

II

FB

S

a Figura 1.38. Par de fuerzas de una bobina sometida a un campo magnético.

El efecto aquí descrito es el principio de funcionamiento de los motores eléc-tricos.

Observando algunas de las partes de la espira se obtiene lo siguiente:

1. En los dos lados de la espira que están en línea con el campo (por el que se aplica la alimentación y por el que une las dos caras activas), se produce un par de fuerzas que son de igual magnitud y de sentido contrario, por lo que el efecto es nulo sobre el funcionamiento del conjunto.

2. El valor del par de fuerzas F puede calcularse por la expresión:

F = I · m · B

Donde I es la corriente que circula por el conductor, m es la longitud de uno de los lados activos de la espira y B la inducción del campo.

3. El momento de fuerzas o par se puede calcular mediante la siguiente expre-sión:

M = I · S · B · sen a

Donde M es el momento de fuerzas medido en Nm, I es la corriente en ampe-rios, S es la superficie de la espira en m2, B el campo y a el ángulo que forma el plano perpendicular del circuito de la bobina con las líneas del campo magnético.

3.15. Fuerza electromotriz inducida en un conductor

Faraday comprobó que si un conductor eléctrico se mueve en el seno de un campo magnético, en ambos extremos del conductor se acumulan cargas eléctricas de diferente signo, produciendo así una fuerza electromotriz que genera a su vez una diferencia de potencial obtenida en voltios.

F

Fm

EspiraE E

α

a Figura 1.39. Detalle de la espira.

a Figura 1.40. Ángulo espira – campo.

Para la conexión de los devanados del rotor se utiliza un sistema de colector o de anillos, sobre el que se apoyan unas escobillas para hacer la conexión eléctrica aunque la máquina gire a gran velocidad.


a Figura 1.37. Detalle del colector de delgas para alimentar el indu-cido de una máquina de corriente continua.



A esta fuerza se la denomina electromotriz inducida (E o f.e.m.) y es directamente proporcional al campo B, a la longitud de conductor l y la velocidad v a la que se desplaza.

E = B · I · v

Para comprobar cómo se mueven las cargas y, por tanto, cómo queda polarizado el conductor, se utiliza la regla de la mano derecha. Así, con el dedo pulgar se indica el sentido del movimiento o velocidad del conductor, con el dedo índice el sentido del campo y con el dedo corazón el sentido de la corriente, que es lo mismo que decir, el sentido de la fuerza electromotriz.

v (F)

v (F)

E (I)B

E (I)

BS

N

B

a Figura 1.42. Sentido de la fuerza electromotriz en un conductor.

B

V (F)

E (I)

a Figura 1.41. Regla de la mano derecha.

ejemplo

De igual forma, si es el campo el que se mueve y el conductor eléctrico el que se mantiene fijo, se generará fuerza electromotriz mientras exista movimiento. Así, en el ejemplo de la figura, se muestra cómo al introducir un imán en una bobina estática por ella circula una corriente eléctrica. De igual forma, si el imán sale, se genera dicha corriente, pero en este caso de sentido contrario a la anterior. Si el imán deja de moverse, incluso en el interior de la bobina, no se produce ninguna corriente.

Introducir imán

I

I

Sacar imán

I

I

N

S

N

S

a Figura 1.43. Generación de f.e.m. con un campo móvil.


24 Unidad 1

De igual forma, si se hace girar una espira en el interior de un campo magnético fijo, cada vez que una de sus caras activas corta las líneas de fuerza, se genera en ella una fuerza electromotriz.

Giro de la espira

α

Eje sobre el que gira la espira

F

FB I

I

S

NF

B

a Figura 1.44. Espira en movimiento en un campo magnético.

En este caso el valor de E es directamente proporcional al valor del campo B, a la superficie de la espira S, a la velocidad angular a la que gira ω y al seno del ángulo que forma en cada momento con las líneas magnéticas.

E = B · S ·ω · sen a

El sentido de la fuerza electromotriz en cada uno de los haces activos de la bobina se obtiene aplicando sobre ellos la regla de la mano derecha de la misma forma que se ha explicado para el conductor rectilíneo.

Si en lugar de una espira lo que se mueve en el seno del campo magnético es una bobina, la fuerza electromotriz resultante es la suma de todas las fuerzas electro-motrices parciales de cada de espiras (N) que la forman. Así, la expresión es:

Ebobina = B · S ·ω · N · sen a

ejemplo

La figura muestra cómo una espira corta las líneas de fuerza para diferentes valores del ángulo a. En el caso A, como el ángulo es de 90º, el valor del seno será 1, por lo que el valor de la fuerza electromotriz generada E es el máximo. En el caso B, el ángulo es de 45º, por lo que el seno será menor que 1, por tanto, E es de menor valor que en el caso A. Y, por último, si el ángulo es 0º, el valor de seno será nulo, lo que significa que el valor de la fuerza electromotriz también será nulo.

B B B

A B C

α = 90º α = 45º α = 0º

a Figura 1.45. Diferentes posiciones de una espira en el seno de un campo magnético.



Cuando el conductor se mueve en el campo magnético, la acción del flujo varía sobre él. Así, se puede afirmar que siempre que hay una variación de flujo, se pro-duce una fuerza electromotriz en el conductor. Teniendo en cuenta este efecto, se observa que no es necesario mover el conductor o el campo para obtener una corriente eléctrica. Simplemente variando el flujo y manteniendo estáticos todos los elementos que intervienen, se consiguen los mismos efectos.

3.16. Autoinducción

Cuando una bobina es recorrida por una corriente eléctrica, en cada una de sus espiras aparece un campo magnético que afecta a las espiras contiguas, generando así una corriente eléctrica inducida. Si la corriente que circula por el conductor es variable, el flujo también varía y, por tanto, se produce una fuerza electromotriz denominada autoinducida que, según la ley de Lenz, se opone a la causa que la produce. Esto significa que si la corriente es de tipo continuo, no existe variación de flujo y, por tanto, no se presentan los efectos de autoinducción.

A la capacidad que tiene la bobina de generar la fuerza electromotriz inducida, se le denomina coeficiente de autoinducción, que se representa con la letra L, se mide en henrios (Hr) y se puede calcular por la expresión:

L = N ·

ΦI

Donde N es el número de espiras de la bobina, Φ es el flujo e I es la corriente eléctrica.

ejemplo

En el caso del circuito de la figura, la variación del campo se realiza por medios eléctricos, como puede ser la conexión de una resistencia variable de potencia o reóstato en serie con la bobina del electroimán que lo genera.

N

I

I

I

I

Menor flujo Mayor flujo

Excitación Excitación

BobinaInducida

BobinaInducida

a Figura 1.46. Sentido de la corriente inducida en función de la variación de flujo.

De este modo, si se actúa sobre el reóstato, también se modifica la corriente de la bobina de excitación. Así, el flujo aumenta o disminuye en consecuencia, induciendo una fuerza electromotriz en la bobina y, por tanto, un paso de corriente eléctrica por sus espiras, cuyo sentido está en función del aumento o disminución del flujo.


26 Unidad 1

4. Clasificación de máquinas eléctricas

Las máquinas eléctricas tradicionalmente se han clasificado en dos grandes gru-pos: estáticas y rotativas. En las próximas unidades se darán detalles constructivos y de funcionamiento de muchas de ellas, no obstante, aquí se establece esta clasi-ficación incluyendo los diferentes tipos que existen en la actualidad.

4.1. Máquinas estáticas

Basan su funcionamiento en la inducción estática de la fuerza electromotriz. En este tipo de máquina ninguno de sus elementos realiza movimiento o desplaza-miento mecánico.

La máquina estática por excelencia basada en electromagnetismo es el transfor-mador, que a su vez se puede clasificar en:

TRANSFORMAdORES

Según sistema de corrienteMonofásicos

Trifásicos

Según el tipo de aplicación

Elevadores

Reductores

De impedancia

De medida

De aislamiento

De distribución

etc.

Según su construcción

De columnas

Autotransformador

Toroidal

etc.

Como hemos visto, existe una gran variedad de transformadores, aunque todos se basan en los mismos principios.

a Figura 1.47. Transformadores monofásico y toroidal (Cortesía de López S.R.L. y Direct Industry).



4.2. Máquinas rotativas

Son aquellas que convierten la energía eléctrica en mecánica, o viceversa. A las primeras se les denomina motores y a las segundas generadores.

Si bien la clasificación de este tipo de máquinas puede hacerse en base a diferen-tes criterios (tipo de corriente, aplicaciones, etc.), aquí se ha optado por la basada en estos dos grupos: motores y generadores.

MÁqUINAS ROTATIvAS

Generadores

Generadores CC

(Dinamos)

Serie

Shunt

Compund

Excitación Independiente

Alternadores (AC)Trifásicos

Monofásicos

Motores

Corriente alterna

Síncronos

AsíncronosMonofásicos

Trifásicos

Corriente continua

Serie

Shunt

Compund

Excitación Independiente

Universal

Paso a paso (PaP)

Brushless

Si bien la clasificación de las máquinas eléctricas rotativas a menudo se hace en función del tipo de corriente con el que trabajan (continua y alterna), en la actualidad existen algunas de ellas que son difíciles de clasificar en este sentido, como con los denominados motores Paso a Paso (PaP) o los motores Brushless. Ambos tipos de máquinas son alimentados y controlados mediante acciona-mientos de tipo electrónico, los cuales se encargan de generar los pulsos y señales necesarios para excitar el circuito magnético del motor.

a Figura 1.50. Motor de gran potencia. a Figura 1.51. Motor en máquina industrial.

a Figura 1.48. Circuito magnético del estator de una máquina rotati-va de corriente alterna.

a Figura 1.49. Circuito magnético del rotor de una máquina rotativa de corriente alterna.


28 Unidad 1

ACTIvIdAdES FINALES

1. Realiza la actividad propuesta en la práctica profesional.

2. Di cuál es la polaridad del campo magnético generado por las siguientes bobinas teniendo en cuenta el sentido de la corriente indicado en cada una de ellas.

A B C D

a Figura 1.52.

3. ¿Qué fuerza magnetomotriz se generará en cualquiera de las bobinas del ejercicio anterior sabiendo que por ellas circula una corriente de 3 A y que cada espira tiene una longitud de 10 cm?

4. Utilizando los materiales de la lista que se indica a continuación, realiza lo siguiente: monta un balan-cín de hilo de cobre de 1,5 mm2 sobre dos cánca-mos atornillados en un listón de madera como se muestra en la figura. Sitúalo bajo la influencia de un imán en forma de herradura. Alimenta el circuito utilizando dos latiguillos con pinzas de cocodrilo desde la pila y observa qué ocurre cuando se cam-bia la polaridad tanto de la alimentación como del campo generado por el imán.

Lista de materiales

• Pila de 4.5 V

• 20 cm de hilo rígido de 1,5 mm2

• Imán de herradura

• Listón de madera

• 2 latiguillos con pinzas de cocodrilo

• 2 cáncamos abiertos

5. Las siguientes figuras representan un conductor rectilíneo por el que circula una corriente eléctrica que se encuentra bajo los efectos de un campo magnético. Representa sobre ellas cuál es en cada caso el sentido de la fuerza ejercida sobre el conductor.

B B B B

I I

I I

a Figura 1.54.

6. Por un conductor de 36 cm de longitud circula una corriente eléctrica de 5 A, ¿qué fuerza desarrollará el conductor si se le somete a un campo magnético de 1,12 T?

7. ¿Qué intensidad de campo magnético H presentará un núcleo toroidal de 20 cm de diámetro interior y 30 cm de diámetro exterior?

SN

SN

Cáncamo

Balancín de hilo de 1,5 mm2

Latiguillo de conexión

Pila

Imán

J.C.M.CastilloListón de madera

a Figura 1.53.



8. En un ensayo con tres materiales ferromagnéticos se han obtenidos los resultados indicados en la siguiente tabla. Dibujar sobre una hoja de papel milimetrado las curvas de magnetización de los tres materiales y averiguar cuál de ellos es el que mejores condiciones de magnetización presenta. ¿Cuál es el punto de saturación para cada uno de los materiales?

H

(Av/m)

B (T)

Material 1 Material 2 Material 3

0 0 0 0

25 0,2 0,3 0,3

40 0,4 0,43 0,4

60 0,6 0,65 0,6

70 0,8 0,88 0,7

100 1 0,98 0,82

200 1,25 1,15 0,96

300 1,35 1,22 0,97

400 1,4 1,28 0,98

500 1,42 1,3 0,99

600 1,44 1,32 1

700 1,46 1,33 1,01

800 1,48 1,34 1,022

900 1,5 1,35 1,03

1000 1,52 1,36 1,044

1100 1,55 1,37 1,055

9. ¿Qué valores de permeabilidad magnética presentan los tres materiales de la actividad anterior cuando la intensidad de campo magnético H es de 25, 100, 400 y 1000 Av/m?

entra en internet

10. Entra en la siguiente dirección de Internet y observa detenidamente el vídeo en el que se explican, de forma práctica, los principios fundamentales del magnetismo y electromagnetismo.

Fuente: YouTube

Título del vídeo: Campo magnético e inducción electromagnética-Ciencia en Acción 2007

Dirección: http://youtu.be/V9v2KBjXyc0

11. Haz lo mismo para la siguiente dirección en la que se explican los principios básicos de los transformadores.

Fuente: YouTube

Título del vídeo: TRANSFORMADORES DE CORRIENTE ELÉCTRICA, Fundamentos, tipos, aplicaciones

Dirección: http://youtu.be/nLxfWdGCiuY


http://youtu.be/V9v2KBjXyc0

http://youtu.be/nLxfWdGCiuY

30 Unidad 1

PRÁCTICA PROFESIONAL

comprobación del campo magnético generado en una bobina

OBJETIVO

Montar un sencillo motor eléctrico basado en una bobina sin núcleo. El montaje permitirá comprobar el principio de generación de campo magnético estudiado en la unidad.

PRECAUCIONES

• Utiliza las herramientas de corte siguiendo las indicaciones de seguridad dic-tadas por tu profesor.

• Retirar el aislante de hilo esmaltado para realizar una correcta conexión eléc-trica.

DESARROLLO

1. Sobre el canutillo de 20 mm de diámetro o un manguito de medidas similares de los utilizados para unir tubos rígidos de PVC en instalaciones eléctricas, crea una bobina de 15 espiras con el hilo esmaltado.

2. Saca la bobina del molde intentado que las espiras no se separen.

3. Deja unos 3 cm de hilo en cada uno de los extremos de la bobina.

4. Rodea todas las espiras con un par de tiras de cinta aislante para evitar que se desmonte el conjunto una vez que la sueltes de la mano.

5. Utilizando una tijera retira unos 2 cm del esmalte en los dos extremos de la bobina.

6. Pela por completo el hilo rígido de 1, 5 mm2 y corta un par de tramos de unos 6 cm.

7. Utilizando el alicate de puntas moldea el soporte sobre el que se apoyará la bobina según la forma indicada en la figura. Procura que ambos soportes tengan la misma altura.

HERRAMIENTAS• Tijera de electricista

• Alicate de puntas planas

MATERIAL• Un panel o listón de madera

• 30 cm de hilo rígido de 1,5 mm2

• 1 m de hilo de bobinar de 0,5 mm

• Un imán (por ejemplo,

el de un pequeño altavoz)

• Un par de tirafondos

• Canutillo de unos 20 mm

de diámetro

• Pila de 4,5 V

• Dos cables de prueba con pinzas

de cocodrilo en ambos extremos

a Figura 1.55. Creación de una bobina.



8. Utilizando los tirafondos fija sobre el tablero o listón de madera ambos soportes con una distancia que permita apoyar sobre ellos los dos extremos de la bobina.

9. Apoya la bobina sobre los soportes asegurándote de que la parte que se ha retirado del esmalte hace contacto con el hilo rígido.

10. Conecta los latiguillos con pinzas de cocodrilo a cada uno de los soportes.

a Figura 1.57. Montaje del conjunto.

11. Coloca el imán próximo a la bobina y conecta los extremos de los latiguillos a la pila. Mueve ligeramente la bo-bina con un dedo para que comience a girar.

12. Con esta actividad podrás comprobar de forma experimental cuál es el principio básico de funcionamiento de un motor eléctrico.

a Figura 1.56. Creación de los soportes en la base de madera.

a Figura 1.58. Colocación del imán.

a Figura 1.59. Bobina girando por el efecto de repulsión del campo generado.


32 Unidad 1

MUNDO TÉCNICO EN RESUMEN

EvALÚA TUS CONOCIMIENTOS

el tren de levitación magnética

El uso de imanes y electroimanes está presente en numerosas aplicaciones domésticas e industriales. Desde un simple timbre o zumbador de llamada, hasta los precisos robots que se utilizan en los sistemas automatizados de producción. Sin embargo, existen aplicaciones que tienen cierto grado de espectacularidad por lo que representan técnica y socialmente, un ejemplo es el denominado Maglev o tren de levitación magnética.

El tren de levitación magnética es un medio de transporte experimental, aunque existen modelos dando servicio al público. Su funcionamiento se basa en el uso de potentes campos magnéticos para desplazar un habitáculo a gran velocidad y sin rozamiento sobre un sistema de raíles. Utiliza, por tanto, los fenómenos magnéticos de atracción y repulsión, tanto para hacer que el tren levite o flote como para su propulsión.

El sistema utiliza dos circuitos de electroimanes, basados en superconductores, controlados por un complejo siste-ma informático. Uno para hacer levitar el tren y que no exista rozamiento con las guías o raíles, y otro para propulsar el tren en uno u otro sentido.

Si bien el sistema dispone de numerosas ventajas, como su alta velocidad de desplazamiento (500 Km/h), no está exento de inconvenientes que impiden un desarrollo comercial más rápido:

• La generación de los potentes campos magnéticos consume elevadas cantidades de energía.

• Elevado coste de la infraestructura de guiado.

• De momento solamente se puede utilizar en trenes de pasajeros pequeños, ya que está muy limitada la carga que puede desplazar.

c Figura 1.60. Tren de levitación magnética (Cortesía de Wikipedia).

c Figura 1.61. Maglev.



EN RESUMEN

MAGNETISMO

Flujo magnético Inducción magnética

Campo magnético en un conductor

Campo en una espira

Campo en una bobina

Circuito magnético

Máquinas eléctricas

Intensidad de campo magnético

Reluctancia

Permeabilidad

Curva de magnetización Curva de histéresis

Fuerza electromotriz inducida

Campo magnético Electromagnetismo

EvALÚA TUS CONOCIMIENTOS

1. El neodimio es un imán de los denominados:

2. La inducción magnética se mide en:

a. Teslas. b. Henrios. c. Maxvelios.

3. Para medir la inducción magnética se utiliza el:

4. La fuerza magnetomotriz se mide en voltios.

a. Sí. b. No.

5. Las corrientes de Foucault también se denominan:

6. Comparándola con un circuito eléctrico, la reluc-tancia en un circuito magnético equivale a:

a. la tensión eléctrica.

b. la resistencia eléctrica.

c. la corriente eléctrica.

7. El campo coercitivo es:

a. la remanencia del material.

b. el ciclo de histéresis.

c. el campo necesario para quitar la imanación de un material.

Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas


Documents

Maquinas electricas_UD01