Magnetismo.

Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán.Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.

Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina . De nuevo, en general el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible.

El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica.

Imanes.

Un imán (del francés aimant) es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético (que atrae o repele otro imán) significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes (por ejemplo, con campo magnético terrestre).

Partes de un imán:*

• Eje magnético: barra de la línea que une los dos polos.

• Línea neutra: Línea de la superficie de la barra que separa las zonas polarizadas.

• Polos: Los dos extremos del imán donde las fuerzas de atracción son más intensas. Estos polos son, el polo norte y el polo sur; también denominados polos positivo y negativo, respectivamente, los polos iguales se repelen y los diferentes se atraen.

Fuerza magnética.

La fuerza magnética es la parte de la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz que mide un observador sobre una distribución de cargas en movimiento. 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.

Polos Magnéticos.

Los polos magnéticos son dos puntos de la superficie de la Tierra donde se encuentran sus líneas de fuerzas magnéticas. La Tierra actúa como un enorme imán debido a existencia de una masa de hierro en su núcleo. Corrientes eléctricas en el núcleo generan la mayor parte del campo magnético, aunque un 10% sean producidos por corrientes de la ionosfera. Los polos cambian de posición lentamente, pero permanecen a cerca de 1.600 Km de los polos geográficos que determinan el eje de rotación de la Tierra. Las brújulas simples son usadas en la navegación desde el siglo XII y sus agujas son atraídas para el polo norte magnético.

Campo Magnético.

El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor que se desplaza a una velocidad , sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.

 

Flujo magnético.

El flujo magnético Φ (representado por la letra griega fi Φ), es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb (motivo por el cual se conocen como weberímetros los aparatos empleados para medir el flujo magnético). En el sistema cegesimal se utiliza el maxwell (1 weber =108 maxwells).

Está dado por:

B=Φ/S

Donde:

Φ=flujo Magnético.

S=área o superficie.

B=densidad de flujo magnético.

Si el campo magnético B es vector paralelo al vector superficie de área S, el flujo Φ que pasa a través de dicha área es simplemente el producto del valor absoluto de ambos vectores:

Φ=B*S

En muchos casos el campo magnético no será normal a la superficie, sino que forma un ángulo φ con la normal, por lo que podemos generalizar un poco más tomando vectores:

Φ=B*S=B*S*Cos

Generalizando aún más, podemos tener en cuenta una superficie irregular atravesada por un campo magnético heterogéneo. De esta manera, tenemos que considerar cada diferencial de área:

Φ=B*dS

Se denomina flujo magnético a la cantidad de líneas de fuerza que pasan por un circuito magnético.

Electromagnetismo.

El electromagnetismo es una rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el Electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la Mecánica Cuántica.

El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.

FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UN CONDUCTOR ELÉCTRICO.

La fuerza magnética es la parte de la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz que mide un observador sobre una distribución de cargas en movimiento. 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.

La fuerzas magnéticas entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza magnética entre cargas en movimiento. Esto sucede porque en el interior de los imanes convencionales existen microcorrientes que macroscópicamente dan lugar a líneas de campo magnético cerradas que salen del material y vuelven a entrar en él. Los puntos de entrada forman un polo y los de salida el otro polo.

Fuerza magnética sobre un conductor eléctrico.

Un conductor es un hilo o alambre por el cual circula una corriente eléctrica. Una corriente eléctrica es un conjunto de cargas eléctricas en movimiento. Ya que un campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre una carga en movimiento, es de esperar que la resultante de las fuerza sobre cada carga resulte en una fuerza lateral sobre un alambre por el que circula una corriente eléctrica.

La ecuación para calcular esta fuerza magnética es la siguiente:

F=BIL sen Θ

Donde:

F=Fuerza magnética sobre un conductor.

B=densidad del campo magnético.

I=Corriente que circula por rl alambre.

L=longitud del alambre.

Θ=Ángulo que forma el alambre con respecto al campo magnético.

INDUCCIÓN MAGNÉTICA DE UN SOLENOIDE.

La inducción magnética en el interior de un solenoide ideal (el largo mucho mayor que el diámetro) puede calcularse por la relación donde es la permeabilidad magnética del vacío, n es el número de vueltas por unidad de longitud e i0 la corriente que circula por el solenoide; dicha relación se utiliza cuando se conoce la geometría del solenoide, lo que no ocurre normalmente en la práctica. Por esta razón, para medir el campo magnético se utiliza una balanza de corriente, basada en la interacción del campo magnético del solenoide con el de una corriente eléctrica que transporta una espira colocada en su interior.

Para calcular la inducción magnética en elcentro de una espira se usa la siguiente ecuación:

B=UI/2r

Donde:

B=inducción magnética en el centro de una espira.

r=radio de la espira circular.

I= corriente que circula por la espira.

HISTERESIS.

La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. Podemos encontrar diferentes manifestaciones de este fenómeno. Por extensión se aplica a fenómenos que no dependen sólo de las circunstancias actuales, sino también de cómo se ha llegado a esas circunstancias.

La intensidad magnética en un anillo magnético de Rowland, se calcula con la siguiente ecuación:

H=NI/L

Donde:

L: circunferencia del anillo.

N: número de espiras.

I=Cantidad de corriente que pasa por el solenoide.

Fuerza y momento de torsión de un campo magnético.

Si un circuito plano por el que circula una corriente está en presencia de un campo magnético externo, la fuerza magnética del campo produce un momento de torsión sobre el circuito.

Podemos calcular el momento de torsión de esta única espira con la siguiente expresión matemática:

T=BIA cos a

Si la espira se remplaza por un embobinado muy compacto, con N espiras, la ecuación para determinar el momento de torsión resultante es:

T=NBIA cos a

Donde:

t= momento de torsión.

N= número de vueltas del devanado.

B=inducción magnética.

I= corriente que pasa por el alambre.

A=área que abarca la espira.

A=ángulo de inclinación de la espira respecto a las líneas de campo magnético.

Motor de corriente continua.

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.

Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.Según la Ley de Lorentz, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha, con módulo:


F=B*I*L

• F: Fuerza en newtons.

• I: Intensidad que recorre el conductor en amperios.

• L: Longitud del conductor en metros lineales.

• B: Densidad de campo magnetico o densidad de flujo teslas.

Ley de Fraday.

La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:

E=-N*∆ Φ/∆t

Donde:

E=fem media inducida.

∆ Φ= cambio de flujo magnético.

∆t=intervalo de tiempo.

El cambio de flujo ∆ Φ se puede presentar en 2 formas:

1.-Al cambiar la densidad del flujo magnético B a través de una espira de área constante A.

∆ Φ=(∆ B)A

2.-Al cambiar el área real ∆ A en un campo de densidad de flujo magnético constante B.

∆ Φ=B(∆ A).

Ley de Lenz.

"El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce."

La Ley de Lenz nos dice que los voltajes inducidos serán de un sentido tal, que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.

La polaridad de un voltaje inducido es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.

Generador de corriente alterna (ca y cc).

El generador es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.

Existen 2 tipos de generadores: de corriente alterna (ca) y de corriente continua (cc).

Un generador ca es muy semejante a uno cc. Se diferencian porque los anillos conductores son remplazados por conmutadores de anillo bitapartido.

El Transformador.

Se denomina transformador o trafo (abreviatura) a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.

La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada volt de entrada cuántos volts hay en la salida del transformador.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) .

EP/ES=NP/NS.

La razón de la transformación (m) del voltaje entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.

NP/NS=VP/VS=Is/Ip=m

Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario ó corriente de salida.