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INICIO : Electrotecnia para aplicaciones industriales

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CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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MAGNETISMO

MAGNETISMO

Los materiales magnéticos tienen una doble importancia en los dispositivos de conversión de energía. Se pueden obtener grandes densidades de flujo con niveles relativamente bajos de fuerza magnetomotriz. Por otro lado, se pueden usar para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en unas trayectorias definidas: hacen en magnetismo el papel de conductores, al igual que los conductores eléctricos en electricidad. Para el estudio del transformador es necesario el conocimiento de los circuitos magnéticos y de las leyes que los rigen. En el análisis de los circuitos magnéticos habituales se emplean las ecuaciones de Maxwell en su forma integral, con lo cual resultan leyes de uso común más sencillas. En concreto se utilizarán:

- la ley de Ampere,
- la ley de conservación del flujo,
- la ley de inducción de Faraday, y
- las propiedades magnéticas de los materiales empleados.

(del griego elektron,ámbar, y del latín magnes, - etis, imán) Existe una estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo dado que son fenómenos complementarios en lo que tiene que ver con muchas de sus aplicaciones. El magnetismo puede considerarse como la facultad que posee un cuerpo (denominado genéricamente imán) para atraer o repeler a otros cuerpos según su material y carga eléctrica. Es posible diferenciar tres clases de imanes:a. Imanes naturales: Variedad de óxido de hierro coincida como magnetita. El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (junto con la gravedad, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil). Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética (véase Radiación electromagnética). La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales ferromagnéticos como el hierro. Desde la antigüedad se ha constatado la interacción entre el hierro o minerales como la magnetita con el campo magnético terrestre, de forma que el polo norte de un imán tiende a apuntar al polo sur de otro. En realidad, si se disponen de los instrumentos de medida adecuados, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo (como paramagnetismo y diamagnetismo). Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia. b. Imanes artificiales: Su formarán se fundamenta en la transmisión de las propiedades magnéticas a una barra de acero, mediante diversos procedimientos. Sus formas más comunes son la cilíndrica, recta y de herradura. c. Electroimanes: Consisten en piezas de hierro alrededor de las cuales se enrolla un conductor aislado. Las propiedades magnéticas aparecen cuando se hace circular una corriente eléctrica por el conductor. (Ver Electroimán). Es notable la característica de los imanes que consiste en tener dos polos llamados Norte y Sur los cuales componen en dos mitades todo el imán, estos dos polos son indivisibles, o sea si tomamos un imán recto y lo partimos a la mitad cada una de estas mitades será un nuevo imán con dos polos Norte y Sur, y así sucesivamente en cada participan tendremos dos nuevos imanes. Esto es conocido en la física teórica como la imposibilidad de obtener un monopolo magnético. Para caracterizar la interacción magnética de dos o más cuerpos, y mostrar cómo se transforma el espacio en las inmediaciones de un imán se utiliza el concepto de campo magnético, el cual se puede representar mediante las llamadas líneas de fuerza ó líneas de inducción magnética, éstas líneas son como unos hilos invisibles que unen los polos Norte y Sur de un imán. Brújula: Instrumento formado por una aguja imantada suspendida sobre un eje, que gira a causa del campo magnético terrestre y señala siempre aproximadamente la dirección N-S. Sirve para orientarse sobre la superficie de la Tierra. Campo. Campo eléctrico: Región del espacio en la que se dejan sentir las fuerzas de atracción o repulsión que una carga eléctrica ejerce sobre otra de distinto o igual signo, respectivamente, situada en otro punto de ese espacio

ELECTROMAGNETISMO

Electromagnetismo es la parte de la física que estudia los campos electromagnéticos, sus interacciones con la materia y, en general, la electricidad y el magnetismo. Estudio de los fenómenos producidos por la interrelación entre los campos eléctrico y magnético. Toda carga eléctrica en movimiento crea a su alrededor un campo magnético, con propiedades similares a las de un imán, y a su vez todo campo magnético ejerce una fuerza sobre los conductores por los que circula una corriente eléctrica o la crea en éstos cuando varía el flujo de líneas magnéticas que los atraviesa. De ello se deduce que la energía eléctrica puede ser transformada en trabajo mecánico (motor eléctrico) y que la energía mecánica puede convertirse en electricidad (fenómeno de inducción magnética).

El electromagnetismo estudia conjuntamente los fenómenos físicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, así como los relativos a los campos magnéticos y a sus efectos sobre diversas sustancias.

El electromagnetismo, por lo tanto estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos que se unen en una sola teoría, que se resumen en cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos y magnéticos conocidas como las ecuaciones de Maxwell. Gracias a la invención de la pila se pudieron efectuar los estudios de los efectos magnéticos que se originan por el paso de corriente eléctrica a través de un conductor.

La idea propuesta y materializada por el físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), quien luego de estudiar los fenómenos eléctricos y magnéticos concluyó que son producto de una misma interacción, denominada interacción electromagnética, lo que le llevó a formular, alrededor del año 1850, las ecuaciones antes citadas, que llevan su nombre, en las que se describe el comportamiento del campo electromagnético. Estas ecuaciones dicen esencialmente que:

· Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
· No existen portadores de carga magnética; por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen.
· Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un campo magnético variable, genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida.
· cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.

Campo magnético de las corrientes

Oersted descubrió en 1820 que una corriente eléctrica (cargas en movimiento) está rodeada por un campo magnético. Una ley fundamental de Amper permite computar la magitud del campo magnético debido a una corriente eléctrica. Consideremos una longitud elemental (infinitesimal) , dl, de un alambre que transporta una corriente I (ver Fig. 2-1). De acuerdo con la ley de Ampere, la contribución del elemento dl al campo magnético (dH), en un punto P a una distancia r del alambre es

donde es el ángulo entre, la línea (r) que une el alambre (dl) al punto P y la dirección de la corriente (la tangente a dl) . Para obtener la intensidad (H) total del campo en el punto P, se deben sumar las contribuciones elementales del campo a lo largo de la longitud del alambre; és decir debe integrarse la expresión para dH:

Cuando esta expresion se calcula para varias formas de alambres se obtienen los siguientes resultados.
1. Alambre recto. La intensidad de campo (en oersted), a una distancia de r cm del eje de un alambre recto que transporta una corriente de 1 amperes es

2. Espira circular. La intensidad de campo en el centro de una espira circular de alambre, de radio r, que transporta una corriente de 1 amperes, es

Fíg. 2-1. Definición del campo magnético alrededor de un alambre (Ley de Ampere).

Esta expresión se usa para definir la unidad électromagnética de corriente o abampere, como la corriente que en una espira circular de 1 cm de radio produce en el centro una intensidad de campo de 2 oersteds. (Resolviendo para I, después de sustituir la definición de campo, I = 10 amperes. Por lo tanto, la unidad electromagnética de corriente, abampere = 10 amperes.)

3. Bobina plana circular. La intensidad de campo en el centro de una bobina plana de N espiras circulares (vueltas) es

4. Bobina larga (Solenoide). Un solenoide es una bobina de alambre bobinado uniformemente en una hélice larga. La intensidad de campo en el centro de una bobina larga, o solenoide, de N espiras de alambre y de longitud 1 cm, que transporta una corriente de I amperes, es

Esta expresión también da la intensidad de campo a lo largo del eje de una bobina toroidal (anillo).

Forma circuital de la ley de Ampere

En esta forma la ley establece que el trabajo realizado para mover una unidad aislada magnética en un camino cerrado (de cualquier forma) alrededor de un conductor que transporta corriente es

Nótese que la cantidad de trabajo (W) es independiente de la longitud del camino.

PROBLEMA 53. Computar la intensidad de campo en un punto a 8 cm de un alambre recto que transporta una corriente de 24 amperes. Determinar también el trabajo requerido para transportar un polo de 10 unidades electromagnéticas (UEM) en un camino circular alrededor del alambre.

el trabajo realizado ,

Alternativamente la fuerza que actúa sobre el polo,

El trabajo realizado por esta fuerza, W = fuerza X distancia; por lo tanto, para un camino circular de radio r,

(Nótese que se anula el radio r del recorrido.)

 


 

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