FRENO ELECTROMAGNETICO

Transcripción

1 . FRENO ELECTROMAGNETICO Fundamento teórico: El freno magnético está basado en la ley de Faraday. Ésta nos dice que cuando el flujo del campo magnético a través de una superficie cambia con el tiempo, bien porque el campo magnético cambia, porque lo hace la superficie o la posición relativa de ambos, surge una fuerza electromotriz inducida. Dicha Fuerza electromotriz hace que aparezca una corriente que se denomina corriente inducida. Cuando esta corriente inducida, no está obligada a circula por un conductor bien definido, sino que lo hace por una masa de metal de volumen no despreciable, estás corrientes reciben el nombre de corrientes parásitas o de Foucault. Por otro lado, también es conocido que, cuando una carga o un conjunto de cargas, que dan lugar a una corriente, atraviesan una zona del espacio en al que existe un campo magnético, sobre las cargas que se están moviendo aparece una fuerza magnética que comienza a actuar sobre dichas cargas. En el en el caso del freno magnético de nuestra experiencia, la masa conductora es un disco de aluminio que gira de modo que en cada instante hay una porción del disco atravesando una zona donde existe un campo magnético perpendicular al plano del disco, que en nuestro caso es generado por dos bobinas por las que circula una corriente continua que actúan como electroimanes. Como la superficie del disco que atraviesa la zona del espacio donde está actuado el campo magnético está cambiando con el tiempo, se produce la aparición de unas corrientes parásitas en el disco de aluminio. Las corrientes que aparecen se encuentran con la presencia del campo magnético generado por los electroimanes, de modo que aparece una fuerza de carácter magnético que, en esta ocasión, lo que hace es oponerse a la rotación del disco, frenándolo. Este es el principio físico en el que se basan todos los frenos electromagnéticos existentes en el mercado. Materiales y montaje Generador de corriente continua Dos bobinas de cobre Dos entrehierros para concentrar el campo Disco metálico Muelle 1-Se conecta el generador de corriente continua con las dos bobinas en cuyo interior se introducen unos entrehierros para concentrar el campo. 2-Se hace pasar una parte del disco metálico, al que previamente se ha unido por su parte inferior a un muelle, por el espacio que ha quedado libre ente las dos bobinas. 3-Se da vueltas al disco unido al muelle y se suelta para que pueda girar libremente. 4- Se enciende el generador de corriente siempre que se desee detener el disco. BOBINA DE TESLA Teoría Básica: Una bobina de Tesla es un tipo de transformador resonante que produce altas tensiones de elevadas frecuencias (radiofrecuencias), desarrollado en Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes

2 acoplados. La bobina Tesla funciona de la siguiente manera: El transformador T1 carga al capacitor C1 y se establece una alta tensión entre sus placas. El voltaje tan elevado es capaz de romper la resistencia del aire, y hace saltar una chispa entre las terminales del explosor EX. La chispa descarga al capacitor C1 a través de la bobina primaria L1 (con pocas espiras) y establece una corriente oscilante. Enseguida el capacitor C1 se carga nuevamente y repite el proceso. Así resulta un circuito oscilatorio de radio frecuencia al que llamaremos circuito primario. La energía que produce el circuito primario se induce en la bobina secundaria L2 (con MUCHAS vueltas). El circuito secundario se forma con la inductancia de la bobina L2 y la pequeña capacidad distribuida en ella misma, diseñado de modo que el circuito secundario oscila a la misma frecuencia que el circuito primario, entrando en resonancia. Finalmente, el circuito secundario produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes muy elevados. Estas se propagan en el medio ionizando las moléculas del aire, convirtiéndolo en trasmisor de corriente eléctrica. TRANSFORMADOR El dispositivo que permite modificar la ddp de una corriente alterna se conoce con el nombre de «transformador». Un transformador elemental está constituido por un núcleo ferromagnético con dos bobinas de n1 y n2 espiras respectivamente. Una de estos bobinas se conecta a la corriente cuya d.d.p. quiere modificarse y se denomina «primaria», mientras que la otra es la salida de la corriente transformada y se denomina «secundaria». Según sea el número de espiras de la primaria mayor o menor que el número de espiras del secundaria, el transformador actuará como reductor o elevador de la tensión. Supongamos que la bobina primaria, que posee n1 espiras, se conecta a un generador de corriente alterna que proporciona cierta f.e.m. Esta f.e.m. hace que en los extremos de la bobina, cuya resistencia es despreciable, exista una d.d.p. alterna V1 de igual valor que la f.e.m. del generador, por lo que circulará una corriente i1 por dicha bobina. Esta corriente alterna origina un campo magnético variable en el núcleo de hierro, verificándose, de acuerdo con la ley de Lenz-Faraday: 1=V1= n1 d /dt

3 siendo d /dt la variación de flujo del campo magnético con el tiempo, a través de una espira. Dicho campo magnético está prácticamente confinado al núcleo ferromagnético; podemos aceptar que todas las líneas de campo que atraviesan las n1 espiras, también atraviesan las n2 del otro arrollamiento. Por tanto, en éste se inducirá una corriente, cuya f.e.m. vendrá dada por la ley de Lenz-Faraday: 2= n2 d / dt Si la resistencia de la bobina n2 es despreciable, esta f.e.m. origina en los extremos de n2 una d.d.p V2, tal que: V2= n2 dflujo/ dt Dividiendo las expresiones obtenidas para V1 y V2, resulta: V1/V2 = n1/n2 de modo que si n1 > n2 entonces V1 > V2 y el transformador reduce la tensión. Si n1 < n2, entonces V2 > V1 y el transformador eleva la tensión. Admitiendo que prácticamente no hay pérdidas energéticas en el proceso la potencia en el primario será la misma que en el secundario; es decir: P1=i1 V1 P2=i2 V2 Igualando ambas expresiones, resulta: i1 /i2 = V2/ V1 = n2/ n1 de modo que si n1 > n2, entonces I2 > I1, y si n1 < n2, I2 < I1. Observa, por tanto, que el transformador eleva la ddp, reduciendo el valor de la intensidad y viceversa; ello permite reducir las pérdidas que se producen en el transporte de energía, tal como afirmábamos al principio. Los generadores de corriente alterna de las centrales eléctricas suelen producir corrientes eléctricas cuya d.d.p. es de algunos miles de voltios. Esta tensión se eleva, mediante transformadores, hasta que alcanza valores del orden de centenares de miles de voltios para ser transportadas por las líneas de alta tensión. Una vez en el lugar del consumo, se reduce la tensión, utilizando nuevamente transformadores, hasta que alcanza los valores que se utilizan habitualmente. AUTOINDUCCIÓN La autoinducción es una influencia que ejerce un sistema físico sobre sí mismo a través de campos electromagnéticos variables. Cuando por un circuito circula una corriente eléctrica, alrededor se crea un campo magnético. Si varía la corriente, dicho campo también varía y, según la ley de inducción electromagnética de Faraday, en el circuito se produce una fuerza electromotriz o voltaje inducido, denominado fuerza electromotriz autoinducida. LEVITACIÓN Llamamos levitación magnética al fenómeno por el cual un material puede levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como Efecto Meissner, que explicaremos más adelante, que es una propiedad inherente a los superconductores.

4 La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estas condiciones de temperatura son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, y además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina Efecto Meissner a esta capacidad. Cuando se acerca un imán a un superconductor, el superconductor se convierte en un imán de polaridad contraria de modo que sujeta al otro imán sobre él. Pero, al contrario que un imán normal (que haría que el otro imán se diera la vuelta y se quedase pegado a él), un superconductor cambia el campo magnético cuando el exterior lo hace, compensándolo, de modo que es capaz de mantener el otro imán fijo en el aire. Se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. De hecho, si se aleja el imán del superconductor una vez está cerca, éste cambia de polaridad y lo atrae lo suficiente para mantenerse a la misma distancia. Por tanto un objeto estará bajo levitación magnética cuando la fuerza generada por la repulsión electromagnética es lo suficientemente fuerte para equilibrar el peso del objeto. CHISPAS TREPADORAS Experimento de gran impacto visual que muestra la ascensión de un arco de descarga entre dos varillas metálicas divergentes entre sí. Estas varillas metálicas están dentro de un cilindro de material aislante acrílico. Una de las varillas se puede ajustar horizontalmente para juntar ambas varillas lo necesario para iniciar el arco eléctrico. Para generar la alta tensión, se suministra un transformador desmontable con núcleo laminado, bobina principal de 600 vueltas conectable a 220 VCA y bobina secundaria de vueltas que es la que se conecta a las dos varillas mediante cables de seguridad incluidos.

5 MOTOR CORRIENTE CONTINUA El motor de corriente continua es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción que se genera del campo magnético. Una máquina de corriente continua se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los polos principales de la máquina, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre un núcleo ferromagnético. El rotor es generalmente de forma cuadrada, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas. La función del conmutador es permitir el cambio constante de polaridad de la corriente en la bobina del electroimán del rotor para que sus polos cambien constantemente. Este cambio ocurre cada vez que el electroimán gira media vuelta y pasa por la zona neutra, momento en que sus polos cambian para que se pueda mantener el rechazo que proporciona el imán permanente. Esto permitirá que el electroimán del rotor se mantenga girando constantemente durante todo el tiempo que la batería o fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) se mantenga conectada al circuito del motor, suministrándole corriente eléctrica. GENERADORES Un generador es un dispositivo eléctrico rotativo que transforma energía mecánica en energía eléctrica. Lo consigue gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se denomina estátor. Cuando un generador eléctrico está en funcionamiento, una de las dos partes genera un flujo magnético (actúa como inductor) para que el otro lo transforme en electricidad (actúa como inducido). Los generadores eléctricos se diferencian según el tipo de corriente que producen. Así, nos encontramos con dos grandres grupos de máquinas eléctricas rotativas: los alternadores y las dinamos.

6 Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. El elemento inductor es el rotor y el inducido el estátor. Las dinamos generan electricidad en corriente continua. El elemento inductor es el estátor y el inducido el rotor. Un ejemplo lo encotraríamos en la luz que tiene una bicicleta, la cual funciona a través del pedaleo. El disco de Faraday consiste en un imán en forma de U, con un disco de cobre de doce pulgadas de diámetro y 1/5 de pulgas de espesor en medio colocado sobre un eje, que está girando, dentro de un potente electroimán. Al colocar una banda conductora rozando el exterior del disco y otra banda sobre el eje, comprobó con un galvanómetro que se producía electricidad mediante imanes permanentes. Fue el comienzo de las modernas dinamos Es decir, generadores eléctricos que funcionan por medio de un campo magnético. Como se observa en el capítulo de electromagnetismo, cuando dentro de un campo magnético tenemos una espira por donde circula una corriente eléctrica aparecen un par de fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su eje. De esta misma manera, si dentro de un campo magnético introducimos una espira y la hacemos girar provocaremos la corriente inducida. Esta corriente inducida es la responsable de la f.e.m. y será variable en función de la posición de la espira y el campo magnético. La cantidad de corriente inducida o f.e.m. dependerá de la cantidad de flujo magnético (también llamado líneas) que la espira pueda cortar, cuanto mayor sea el número, mayor variación de flujo generara y por lo tanto mayor fuerza electromotriz.. Se observa los dos casos más extremos, cuando la espira está situada a 0º o 180º y no corta líneas, y cuando está a 90º y 270º y las corta todas Al hacer girar la espira dentro del imán conseguiremos una tensión que variará en función del tiempo. Esta tensión tendrá una forma alterna, puesto que de 180º a 360º los polos estarán invertidos y el valor de la tensión será negativo. El principio de funcionamiento del alternador y de la dinamo se basa en que el alternador mantiene la corriente alterna mientras la dinamo convierte la corriente alterna en corriente continua.

7 Producción de una corriente alterna La corriente alterna se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus dos polos eléctricos, convirtiendo el positivo en negativo y viceversa, muchas veces por segundo. La ley de Faraday establece que se induce una fuerza electromotriz en un circuito eléctrico siempre que varíe el flujo magnético que lo atraviesa. O sea éste puede variar porque varíe el área S limitada por el conductor, porque varíe la intensidad del campo magnético B o porque varíe la orientación entre ambos dada por el ángulo omega.en las primeras experiencias de Faraday las corrientes inducidas se conseguían variando el campo magnético B ; también es posible provocar el fenómeno de la inducción sin desplazar el imán ni modificar la corriente que pasa por la bobina, haciendo girar ésta en torno a un eje dentro del campo magnético debido a un imán. En tal caso el flujo magnético FB varía porque varía el ángulo omega. Como la espira esta girando, el ángulo omega varía continuamente, lo cual hace que el flujo este cambiando, y por lo tanto aparece una fem inducida. Si se hace rotar la espira uniformemente, ese movimiento de rotación periódico da lugar a una variación también periódica del flujo magnético. Vemos a continuación otro tipo de conexión distinta de la espira con el exterior, las escobillas hacen contacto con las mitades de un conmutador de anillo partido. Durante una primera parte de la rotación el voltaje de salida de la bobina corresponde a la parte positiva de un ciclo, pero cuando el ciclo negativo va a comenzar las escobillas hacen contacto con las mitades opuestas del conmutador, invirtiendo el signo del voltaje. De esta forma el conmutador hace que el sentido del voltaje de salida permanezca igual. El generador que incorpora el conmutador para mantener el sentido de la corriente se llama generador de corriente continua.