Lección 2: Magnetismo

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1 : Magnetismo : Magnetismo Introducción Esta lección describe la naturaleza del magnetismo y el uso de los imanes en varios componentes eléctricos para producir y controlar la electricidad. Objetivos Al terminar esta lección, el estudiante podrá: 1. Demostrar sus conocimientos acerca del magnetismo, seleccionando la respuesta correcta a las preguntas sobre magnetismo en un examen de escogencia múltiple. 2. Dados una brújula y un equipo de capacitación de sistemas eléctricos, detectar el flujo de corriente en un circuito eléctrico. Material de referencia Ninguno Herramientas Brújula/limaduras de hierro/lámina de vidrio/imán Equipo de capacitación de circuitos eléctricos, modelo (ATech)

2 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos Introducción El magnetismo es otro tipo de fuerza que produce un flujo de electrones o corriente. Para estudiar la electricidad es también necesario un entendimiento básico del magnetismo. El magnetismo provee un puente entre la energía mecánica y la electricidad. Usando el magnetismo, un alternador convierte algo de energía mecánica desarrollada por un motor en fuerza electromotriz (EMF). En la práctica, el magnetismo hace que un motor de arranque convierta la energía eléctrica de una batería en energía mecánica para arrancar un motor. Naturaleza del magnetismo Casi todo el equipo eléctrico depende directa o indirectamente del magnetismo. Aunque hay algunos dispositivos eléctricos que no usan magnetismo, la mayoría de nuestros sistemas, así como los conocemos hoy, no existirían sin el uso del magnetismo. Hay tres tipos básicos de imanes: Naturales Manufacturados Electroimanes Imanes naturales En la China se descubrieron los imanes hacia el año 2637 A.C. Los imanes se usaban en brújulas que fueron llamadas "imanes de piedra". Los imanes de piedra eran piezas de hierro natural conocido como magnetita. En vista de que en su estado natural la magnetita tiene propiedades magnéticas, los imanes de piedra se consideran imanes naturales. Fig Imanes manufacturados Imanes manufacturados Generalmente, los imanes manufacturados se producen en forma de barras de metal que se exponen a campos magnéticos muy fuertes. Estos imanes reciben algunas veces el nombre de imanes artificiales.

3 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos Electroimanes Oersted, científico nacido en Dinamarca, descubrió una relación entre el magnetismo y la corriente eléctrica. Oersted encontró que una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor producía un campo magnético alrededor del conductor. Campos magnéticos Un imán tiene dos extremos que atraen fácilmente pedazos de hierro. Estos extremos se conocen como "polos del imán": polo norte y polo sur. Al igual que con las cargas eléctricas, en donde las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, los polos magnéticos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. Un imán atrae un pedazo de hierro, porque existe alguna fuerza alrededor del imán. Esta fuerza se llama "campo magnético". Aunque es invisible, podemos ver esta fuerza si usamos limaduras de hierro sobre una lámina de vidrio o de papel, y colocando un imán en la parte inferior de la lámina de vidrio. La figura muestra una lámina de vidrio sobre un imán en la que se han esparcido limaduras de hierro. Cuando se golpea ligeramente la lámina de vidrio las limaduras se moverán en un patrón definido que muestra la fuerza del campo magnético alrededor del imán. N S Fig Campos magnéticos El campo está formado por líneas de fuerza que parecen salir del imán en el polo norte, atraviesan el aire alrededor del imán, y continúan hasta el polo sur formando un bucle cerrado de fuerza. Mientras más potente sea el imán, más fuertes serán las líneas de fuerza y mayor el área cubierta por el campo magnético.

4 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos N S Fig Líneas de fuerza Líneas de fuerza Para visualizar mejor el campo magnético sin las limaduras de hierro, el campo magnético se muestra como líneas de fuerza. En la figura el sentido de las líneas fuera del imán muestra que salen del polo norte, son repelidas lejos del polo norte y atraídas en el polo sur. Dentro del imán, que es el generador del campo magnético, las líneas de fuerza van del polo sur al polo norte. Líneas de flujo magnético El grupo completo de las líneas del campo magnético, que puede considerarse un flujo que sale del polo norte del imán, se llama flujo magnético. La densidad del flujo es el número de líneas de campo magnético por unidad de sección perpendicular a la dirección del flujo. La unidad se define como líneas por pulgada cuadrada en el sistema inglés, o líneas por centímetro cuadrado en el sistema métrico. Una línea por centímetro cuadrado se define como un gauss.

5 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos Fuerza magnética Las líneas de fuerza magnética atraviesan todos los materiales. No se conoce un aislador contra el magnetismo. Sin embargo, las líneas de flujo pasan más fácilmente a través de materiales que pueden magnetizarse que a través de aquellos materiales que no pueden hacerlo. Los materiales por los que no pasan fácilmente las líneas de flujo se conocen como materiales con "reluctancia magnética alta". El aire tiene una reluctancia alta; el hierro tiene una reluctancia baja. Una corriente eléctrica que fluye a través de un cable crea líneas magnéticas de fuerza alrededor del cable. La figura muestra líneas de círculos magnéticos pequeños que se forman alrededor del cable. Fig Líneas de fuerza magnética Como estas líneas de flujo son circulares, el campo magnético no tiene polo norte ni polo sur. Sin embargo, si el cable se enrolla en una bobina, los campos circulares individuales se fusionan. El resultado es un campo magnético unificado con polos norte y sur, como se muestra en la figura S N Fig Campos circulares

6 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos A medida que la corriente fluye a través del cable, éste se comporta como un imán de barra. El campo electromagnético permanece todo el tiempo que la corriente fluya a través del cable. Sin embargo, el campo producido en un cable recto no tiene suficiente magnetismo para realizar un trabajo. Para dar mayor intensidad al campo electromagnético, el cable puede enrollarse en forma de bobina. La fuerza magnética de un electroimán es proporcional al número de vueltas de cable de la bobina y de la corriente que fluye a través del cable. Cada vez que la corriente eléctrica fluye a través de la bobina de cable, se crea un campo magnético, o líneas de fuerza, alrededor de la bobina. Si la bobina se enrolla en un núcleo metálico, como el hierro, la fuerza magnética aumenta considerablemente. Relés y solenoides Los tipos de electroimanes típicos usados en las máquinas Caterpillar son los relés y los solenoides. Ambos operan con el principio electromagnético, pero funcionan de modo diferente. Los relés se usan como interruptores controlados eléctricamente. Un relé consta de una bobina electromagnética, una serie de contactos y un inducido. El inducido es un dispositivo móvil que hace que los contactos se abran y se cierren. La figura muestra los componentes típicos de un relé. Fig Relé simple Cuando en el circuito de la bobina fluye una pequeña cantidad de corriente eléctrica, la fuerza electromagnética hace que los contactos del relé se cierren y proveen un paso de corriente más grande para operar otro componente, como un motor de arranque.

7 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos Un solenoide es otro dispositivo que usa electromagnetismo. Igual que el relé, el solenoide también tiene una bobina. La figura muestra un solenoide típico. Cuando la corriente pasa a través de la bobina, el electromagnetismo empuja o saca el núcleo de la bobina, lo cual crea un movimiento lineal, o movimientos hacia atrás y hacia adelante. Los solenoides se usan para conectar los motores de arranque o para el control de las velocidades en una transmisión automática. T Fig Solenoide simple de motor de arranque En este punto, realice la práctica de taller

8 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos Fig Inducción electromagnética Inducción electromagnética El efecto de crear un campo magnético con corriente tiene una condición opuesta. También se puede producir corriente con un campo magnético induciendo un voltaje en el conductor. Este proceso se conoce como "inducción electromagnética". Ocurre cuando las líneas de flujo de un campo magnético cortan transversalmente un cable (o cualquier conductor). No importa si el campo magnético o el cable se mueven. Cuando hay un movimiento relativo entre el cable y el campo magnético, en el conductor se induce un voltaje. El voltaje inducido hace que la corriente fluya. Cuando el movimiento se detiene, la corriente deja de fluir. Si se pasa un cable a través de un campo magnético, por ejemplo, un cable que se mueve a través de los campos magnéticos de un imán en forma de herradura, se induce el voltaje. Si el cable está enrollado en una bobina, se refuerza el voltaje inducido. Este método es el principio de funcionamiento usado en sensores de velocidad, generadores y alternadores. En algunos casos el cable es estacionario y el imán se mueve. En otros casos el imán es estacionario y los devanados de campo se mueven. El movimiento en el sentido opuesto hace que la corriente fluya en sentido contrario. Por tanto, un movimiento hacia atrás y hacia adelante produce un voltaje CA (corriente). En aplicaciones prácticas, los conductores múltiples están enrollados en la bobina. Esto concentra el efecto de la inducción electromagnética y hace posible generar una potencia eléctrica útil con un dispositivo relativamente compacto. En un generador, la bobina se mueve y el campo magnético es estacionario. En un alternador, el imán gira dentro de una bobina estacionaria.

9 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos La fuerza del voltaje inducido depende de varios factores: La fuerza del campo magnético. La velocidad del movimiento relativo entre el campo y la bobina. El número de conductores de la bobina. Modos de inducción Hay tres modos de inducir un voltaje de manera electromagnética: Voltaje generado. Autoinducción. Inducción mutua. Voltaje generado Un generador simple CC (figura 1.2.9) muestra un conductor en movimiento que pasa por un campo magnético estacionario para producir voltaje y corriente. Un bucle simple de cable gira entre los polos norte y sur de un campo magnético. Fig Generador CC

10 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos Autoinducción La autoinducción ocurre en un cable que transporta corriente cuando cambia la corriente que fluye a través del cable. Debido a que la corriente fluye a través del conductor, en cada cambio de corriente se crea y se colapsa un campo magnético alrededor del cable, lo que induce así un voltaje en el conductor. La figura muestra la autoinducción en una bobina. Fig Autoinducción Inducción mutua La inducción mutua ocurre cuando el cambio de corriente en una bobina induce un voltaje en una bobina adyacente. Un transformador es un ejemplo de inducción mutua. La figura muestra dos inductores cerca uno del otro. Cuando una corriente CA fluye a través de la bobina L1, un campo magnético atraviesa la bobina L2, lo que induce un voltaje y por tanto produce flujo de corriente en la bobina L2. Fig Inducción mutua

11 Unidad Fundamentos de los Sistemas Eléctricos Copia del Estudiante: Práctica de Taller BRÚJULA DETECTORA DE CORRIENTE PRÁCTICA DE TALLER 1.2.1: 12V Fig Brújula Nombre Objetivo de la práctica: Demostrar el flujo de corriente de un circuito eléctrico usando el equipo de capacitación en circuitos eléctricos, componentes eléctricos y una brújula. NOTA: Asegúrese de que la energía eléctrica esté DESCONECTADA antes de proceder con las conexiones. Copia del Estudiante: Práctica de Taller Indicaciones: Realice los siguientes pasos y responda las preguntas Paso 1: Ubique los submontajes de fusible, el interruptor de dos posiciones y de la lámpara en el compartimiento de componentes del equipo de capacitación. Paso 2: Monte los componentes en el equipo de capacitación, como se muestra en la figura. Paso 3: Conecte los cables como se muestra en la figura. Paso 4: CONECTE el equipo de capacitación. Indicaciones: Complete las siguientes preguntas. 1. Se enciende la lámpara cuando se conecta el interruptor? 2. Fluye corriente en el circuito? 3. Mantenga la brújula lejos del circuito eléctrico. Qué señala la aguja de la brújula? 4. Sitúe la brújula cerca del circuito eléctrico. Qué señala la aguja de la brújula? 5. DESCONECTE y luego CONECTE el circuito. Explique los resultados.

12 NOTAS

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