ELECTROMAGNETISMO

ELECTROMAGNETISMO

Ferrofluido que se agrupa cerca de los polos de un magneto poderoso.

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.

Relación Entre la Electricidad y el Magnetismo

 

El paso de la corriente eléctrica a lo largo del cable hace que el clavo se comporte como un imán. Cuando se corta la corriente eléctrica cesa el campo magnético y el calvo deja de comportarse como un electroimán.

La posición de los polos de un electroimán depende del sentido de la corriente. Al cambiar la posición de los polos de la pila también se modifican las posiciones de los polos del imán.

Para explorar la relación que existe entre la corriente eléctrica y el magnetismo, nada mejor que realizar una pequeña experiencia para la cual es necesario un clavo o un tornillo de acero de unos 6 cm de largo, unos clips, una pila de tipo AA de 1,5 voltios y cable del utilizado para instalaciones de teléfono.

Para fabricar un electroimán necesitamos enrollar el cable en torno al clavo, de modo que haya unas 50 vueltas. Cuando conectemos los bordes del cable a cada uno de los bornes de la pila, el clavo se transformará en un imán capaz de atraer los clips. Cuando desconectemos los cables de la pila el clavo perderá su magnetismo y los clips dejarán de ser atraídos. Esta experiencia requiere de cuidado, pues la corriente eléctrica no sólo produce magnetismo, sino que también genera calor, de modo que tanto el cable como la pila pueden alcanzar una temperatura alta.

En un electroimán las posiciones de los polos norte y sur dependen del sentido de avance de la corriente eléctrica, de manera que al cambiar la posición de los polos positivo y negativo también se modifican las posiciones de los polos del imán.

Un Electroimán

Es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente

El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado. Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce o ferrita) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.

Los campos magnéticos generados por bobinas se orientan según la regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente que circula por la bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El lado del imán del que salen las líneas de campo se define como «polo norte».

Además, dentro de la bobina se crean corrientes inducidas cuando ésta está sometida a un flujo variable. Estas corrientes son llamadas corrientes de Foucault y en general son indeseables, puesto que calientan el núcleo y provocan una pérdida de potencia en forma de calor.

La Regla o Ley de la Mano Derecha

 

Es un método para determinar direcciones vectoriales, y tiene como base los planos cartesianos. Se emplea prácticamente en dos maneras; la primera principalmente es para direcciones y movimientos vectoriales lineales, y la segunda para movimientos y direcciones rotacionales.
La segunda aplicación, como está más relacionada al movimiento rotacional, el pulgar apunta a una dirección mientras los demás dedos declaran la rotación natural. Esto significa, que si se coloca la mano cómodamente y el pulgar apuntara hacia arriba, entonces el movimiento o rotación es mostrado en una forma contraria al movimiento de las manecillas del reloj.

Fuerza Magnética Sobre un Conductor

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 ecuacion para calcular esra fuerza magnetica es la siguiente:

f=BlL senΘ

Donde:

F= fuerza magnetica sobre un conductor (N)

B= densidad del campo magnetico(T)

I= corriente que circula por el alambre(A)

L= longitud del alambre (m)

Θ= angulo que forma el alambre con respecto al campo magnetico

Inducción Magnética en un Solenoide (Bobina)



Al representar esquemáticamente la parte superior e inferior de un solenoide, las cruces (x) en la parte superior indican que la corriente penetra en el plano de la página y los puntos (.) en la parte inferior, indican que la corriente emerge del plano de la página. Aplicado la Ley de Ampere a la trayectoria rectangular abcd se tiene:. = m₀ .I

Calculando la sumatoria del primer miembro separadamente para las trayectorias ab , bc , cd y da , se tiene:

Para la trayectoria ab el ángulo que forman los vectores y es cero, por consiguiente:
. = B.l.cos0º (Ecuación 1)

Para las trayectorias bc y da el ángulo que forman los vectores y es de 90º por consiguiente:
Para la trayectoria cd se tiene:

Pues fuera del solenoide y en puntos próximos a la región central la inducción magnética es prácticamente nula.

Se tiene así para toda la trayectoria rectangular: . = B.l (Ecuación 2) igualando las ecuaciones 1 y 2: B.l = m0 .I (Ecuación 3) De acuerdo con la ley de Ampère se tiene que I es la intensidad neta de la corriente que atraviesa el área limitada por la trayectoria cerrada. Por consiguiente, si en la longitud l hay N espiras por las cuales circula una corriente de intensidad I0, la intensidad neta de la corriente a través del área limitada por la trayectoria cerrada es: I = I0 .N Sustituyendo en la ecuación 3 B.I = m0 .I0 .N De donde: (Ecuación 4) La ecuación 4 es válida para un solenoide ideal, largo, de poco diámetro y con espiras muy pegadas. Sin embargo, puede aplicarse a los solenoides que se utilizan en la práctica con resultados aceptable.

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. Fuerza y Momento de Torsiòn en un Campo Magnètico Un conductor que circula corriente suspendida en un campo magnético, como ilustra la fig. 36-1, experimentara una fuerza magnética dado por Donde I┴ se refiere a la corriente perpendicular al campo B, y donde l es la longitud del conductor. La dirección de la fuerza se determina por medio de la regla del tornillo de rosca derecha.  Ahora examinemos las fuerzas que actuan sobre una espira rectangular por la cual fluye una corriente y que se encuentra suspendida como se muestra en la fig. 36-2. las longitudes de los lados son a y b y la corriente I circula por la espira como ahí se indica. (no se muestra ni la fuente fem ni los conductores por la que llega la corriente para simplificar). Los lados mn y op sde la espira tiene una longitud a  perpendicular a la indicación magnética B. po lo tanto sobre los lados actuan fuerzas de igual magnitud y de sentido opuesto. Motor Eléctrico Es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos. Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.   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. También se construyen motores de CC con el rotor de imanes permanentes para aplicaciones especiales. 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: donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de están dadas por la regla de la mano derecha. La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo. Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley: Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo. En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en: Vε donde Vε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje inducido(el signo negativo en la fórmula) se debe a la 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. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:   Donde: Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb). B = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T). S = Superficie del conductor. α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo. Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será: En este caso la Ley de Faraday afirma que el Vε inducido en cada instante tiene por valor: Vε El valor negativo de la expresión anterior indica que el Vε se opone a la variación del flujo que la produce. Este signo corresponde a la ley de Lenz. Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año 1834.   Ley de Lenz   H = N I/ L Donde: L= circunferencia del anillo (m) N = numero de espiras I = cantidad de corriente que pasa por el solenoide (A) Generador eléctrico Es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Están basados en la ley de Faraday.   Alternador Es una máquina eléctrica, capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética. Los alternadores están fundados en el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.   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. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.     EFICIENCIA DEL TRANSFORMADOR La eficiencia se define como el cociente de la potencia de salida y de la entrada x 100. Para calcular el rendimiento o eficiencia (E) de un transformador se utiliza la siguiente expresión matemática:    E= Ps/Pe X 100   Y como P=EI, entonces   E= EsIs/EpIp X 100   Donde: Ps= potencia de salida Pe= potencia de entrada Es= fem del devanado secundario Ep= fem del devanado primario Is= corriente que pasa por el devanado secundario Ip= corriente que pasa por el devanado primario   Para obtener la eficiencia del transformados en porcentaje se deberá multiplicar por 100.   VIDEOS Pagina del 2do Video http://www.youtube.com/watch?v=2E39wkOJs2Y