Читать книгу Electrotecnia. ENAE0108 - Ramón Guerrero Pérez - Страница 29
ОглавлениеCapítulo 2
Magnetismo y electromagnetismo
1. Introducción
Los primeros fenómenos magnéticos observados fueron relacionados con algunos minerales de hierro, como el imán (variedad de magnetita).
La aplicación pionera del magnetismo fue la fabricación de la brújula (aguja imantada). El hecho de que una brújula, situada en cualquier parte de la tierra, indique siempre hacia el Norte demuestra que la tierra es un enorme imán cuyos dos polos magnéticos se encuentran muy próximos a los polos geográficos, aunque no son coincidentes.
2. Conceptos y leyes básicas
Aunque existe una relación muy estrecha entre la electricidad y el magnetismo, es importante tener en cuenta que ambas fuerzas son totalmente distintas. A continuación, se estudiarán los principios básicos que definen al magnetismo, así como a la rama de la física que estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos: el electromagnetismo.
2.1. Magnetismo y electromagnetismo
El magnetismo tiene que ver con las fuerzas de atracción y repulsión que se dan lugar tanto en los imanes como en los materiales ferromagnéticos, mientras que el electromagnetismo estudia los fenómenos magnéticos originados por el paso de la corriente eléctrica.
Si se tomara un imán y se acercara a diferentes objetos metálicos, se comprobaría que no todos estos metales son atraídos por el imán. Únicamente, los que sean de hierro o acero (el cobalto y el níquel también tienen esta propiedad). A estos materiales se les denomina ferromagnéticos.
Magnetismo
El fenómeno del magnetismo fue conocido por los antiguos griegos hace ya más de 2000 años, donde observaron que ciertos materiales (imanes) eran capaces de atraer objetos pequeños de hierro.
Un imán es un objeto con campo magnético que posee dos partes diferenciadas llamadas polos: polo norte (N) o polo sur (S). Igual que las cargas eléctricas del mismo signo se repelen, si se acercaran dos imanes por un mismo polo se repelerían, mientras que se atraerían al aproximarse por los polos opuestos.
Existe una diferencia respecto a las cargas eléctricas, ya que los polos magnéticos no existen aislados, es decir, no se pueden dar de forma separada. Esto se traduce en que las líneas de campo magnético son siempre cerradas (del polo norte al polo sur).
Por ejemplo, si se partiera un imán justo por la línea que separa los polos N y S, no se obtendría un polo N y otro S de forma aislada, sino dos imanes más pequeños cada uno con sus respectivos polos.
Sabía que...
El nombre de magnetismo proviene de la provincia griega Magnesia, donde se pueden localizar los yacimientos más importantes de magnetita, un mineral que presenta propiedades magnéticas muy notables.
Ejemplo
A continuación, se propone una actividad práctica que ayudará a visualizar la forma que presentan las líneas de campo magnético de un imán. Consiste en colocar, sobre una superficie aislante (madera, papel, etc.), un imán y, a su alrededor, pequeñas limaduras de hierro muy finas. ¿Qué es lo que ocurre?
SOLUCIÓN
Inmediatamente, se observa que las limaduras de hierro adoptan una orientación concreta que coincide con la forma de las líneas de campo magnético que genera el imán:
Imán con limaduras de hierro
La siguiente imagen representa, de forma aproximada, un esquema de la dirección y sentido que presentan las líneas de campo magnético de un imán. Como se puede comprobar, existen muchas similitudes con la práctica realizada:
Electromagnetismo
El electromagnetismo es una rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos de forma unificada.
Si se espolvorearan limaduras de hierro, por ejemplo, sobre una hoja de papel que es atravesada por un conductor donde circula una corriente eléctrica, se observaría que las limaduras se orientarían circularmente alrededor del conductor:
Este hecho explica que cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica genera alrededor un campo magnético. La intensidad del campo magnético generado dependerá directamente de la intensidad de la corriente que circule por el conductor.
El descubrimiento del electromagnetismo fue un hecho muy importante ya que, gracias a la corriente eléctrica, se conseguirían generar campos magnéticos más intensos que los generados por imanes.
2.2. Leyes básicas
Existen algunas leyes básicas que describen, de manera muy singular, algunos aspectos del electromagnetismo. Estas son: Ley de Biot y Savart, Teorema de Ampère y Ley de Fraraday.
Ley de Biot y Savart
Jean Baptiste Biot (1774-1862) y el médico Félix Savart (1791-1841) descubrieron, mediante una serie de experimentos, una expresión que permitiría calcular la intensidad del campo magnético generado por un circuito eléctrico.
Teorema de Ampère
André Marie Ampère (1755-1835) enunció un teorema que permitiría establecer el valor de la intensidad del campo magnético generada por conductores que presentaran cierta simetría (por la que circularía una corriente eléctrica).
Recuerde
El electromagnetismo es una rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos de forma unificada.
Ley de Faraday
Hacia 1870, Michael Faraday descubrió que, si existía una variación de flujo magnético sobre un circuito (por ejemplo, acercándole un imán), se produciría, en este, una corriente eléctrica. Este fenómeno se denomina inducción electromagnética y es el principio de funcionamiento de las máquinas eléctricas.
3. Circuitos magnéticos y conversión de la energía
Un circuito magnético es el camino que va de un polo magnético a otro cuando se establecen, entre ellos, líneas magnéticas. Aunque la definición de este tipo de circuitos sea similar a la de los circuitos eléctricos, existe entre ellos un diferencia esencial, y es que por el circuito eléctrico no tiene por qué pasar corriente (circuito abierto), mientras que en los magnéticos siempre se establecen líneas magnéticas, ya que no existe ningún material aislante del magnetismo (por el contrario, sí existen materiales aislantes de la electricidad).
Existen dos tipos fundamentales de circuitos magnéticos: los homogéneos y los heterogéneos. En los circuitos homogéneos, el flujo magnético es constante en todo el recorrido ya que, tanto las sustancias como las secciones que lo componen son iguales en todo el circuito. En cambio, en los circuitos heterogéneos, existe una irregularidad para estas variables, por lo que la inducción magnética no es la misma en todo el trayecto.
La principal aplicación de este tipo de circuitos se localiza en la fabricación de generadores y motores. Este tipo de dispositivos son máquinas eléctricas que se encargan de transformar la energía mecánica (movimiento) en eléctrica o viceversa. Esta conversión energética es el principio de operación de las máquinas eléctricas rotativas.
Recuerde
Existen dos tipos fundamentales de circuitos magnéticos: los homogéneos y los heterogéneos.
4. Magnitudes Magnéticas (flujo magnético, intensidad magnética, reluctancia, etc.)
Gracias a las magnitudes magnéticas es posible cuantificar y calcular diversos parámetros relacionados con este tipo de fuerza. Las más importantes son: la intensidad magnética, el flujo magnético, la fuerza magnetomotriz y la reluctancia.
4.1. Intensidad Magnética (B)
Esta magnitud expresa numéricamente lo densas o concentradas que son las líneas de fuerza en una zona concreta del campo magnético. La unidad de esta magnitud es la tesla (T).
4.2. Flujo magnético (Φ)
Generalmente, el campo magnético se representa mediante una serie de líneas de fuerza. Precisamente, la cantidad de estas líneas es lo que se denomina flujo magnético. Se representa por la letra griega Φ y su unidad es el weber (Wb).
Dada una superficie (S) donde actúa un campo magnético (B), la expresión del cálculo de flujo (Φ) viene dada por la expresión:
Φ = B / S
Donde S está expresada en m2.
4.3. Fuerza magnetomotriz (F)
La fuerza magnetomotriz expresa la capacidad que tiene una bobina para generar líneas de fuerza magnéticas. Esta fuerza es mayor cuanto mayor sea tanto el número de espiras que presente como la intensidad que la recorra. Su unidad son los amperios-vuelta (Av).
El cálculo de esta magnitud viene dado por la fórmula:
F = N · I
Donde N es el número de espiras de la bobina e I es la corriente (en A) que la recorre.
Definición
Bobina
Es un dispositivo que consiste en un hilo de cobre enrollado. Es capaz de almacenar energía a través de un campo magnético que genera, la cual dependerá, entre otras cosas, del número de espiras (vueltas) que presente el hilo (a más vueltas, más energía).
4.4. Reluctancia (R)
Esta magnitud caracteriza a los materiales magnéticos y expresa la oposición que presentan los mismos cuando se encuentran influenciados por un campo magnético. Se mide en amperios-vuelta / Weber (Av / Wb).
Mediante esta expresión se puede calcular fácilmente la reluctancia conociendo la fuerza magnetomotriz (F) y el flujo magnético Φ. Esta ley se denomina Ley de Hopkinson y es análoga a la Ley de Ohm de los circuitos eléctricos:
R = F / Φ
Aplicación práctica
Calcule la reluctancia de una bobina de 20 espiras (N =20), recorrida por una intensidad de 2 A y sometida a un flujo magnético (Φ) de 10 Wb.
SOLUCIÓN
Para poder calcular la reluctancia, es necesario conocer la fuerza magnetomotriz de la espira:
F = N · I; F = 20 · 2; F = 40 Wb
Una vez conocida la fuerza magnetomotriz, es posible calcular la reluctancia:
R = F / Φ; R= 40 / 10; R= 4 Av/Wb
La espira tiene una reluctancia de 4 Av/Wb
5. Resumen
El magnetismo estudia las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre ciertos materiales (ferromagnéticos), mientras que el electromagnetismo relaciona los fenómenos eléctricos y magnéticos de forma conjunta.
Existen algunas leyes básicas que describen algunos aspectos del electromagnetismo, como: Ley de Biot y Savart, Teorema de Ampère y Ley de Faraday.
Un circuito magnético es el camino que va de un polo magnético a otro cuando se establecen, entre ellos, líneas magnéticas. Existen dos tipos fundamentales de circuitos magnéticos: los homogéneos y los heterogéneos.
Las magnitudes magnéticas más importantes son: la intensidad magnética, el flujo magnético, la fuerza magnetomotriz y la reluctancia.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. Una bobina es un elemento que...
1 ... es capaz de producir corriente eléctrica.
2 ... es capaz de almacenar energía.
3 ... se utiliza en circuitos de corriente continua.
4 ... no deja pasar la corriente eléctrica.
2. Complete la frase:
El electromagnetismo es una rama de la _________ que unifica los fenómenos ___________ y magnéticos.
3. Michael Faraday descubrió...
1 ... que las líneas del campo magnético son cerradas.
2 ... que la tierra, en realidad se comporta como un inmenso imán.
3 ... la posibilidad de generar corriente eléctrica en un conductor por variación del flujo magnético.
4 ... un teorema que permitiría calcular el valor de la intensidad del campo magnético en zonas concretas de un circuito cerrado.
4. Si se rompiese un imán justo por la zona que separa los dos polos se obtendrían...
1 ... dos imanes independientes.
2 ... dos materiales incapaces de generar campo magnético alguno.
3 ... dos polos (N y S) independientes.
4 ... dos metales cargados eléctricamente.
5. Calcule el flujo magnético en una superficie de 0,5 m2 sobre la que actúa un campo magnético de intensidad 10 T .
