Escuela Superior de Economía y Negocios. Electromagnetismo. Ciclo

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1 Página 1 Escuela Superior de Economía y Negocios Electromagnetismo Ciclo Elena Mónica Fernández Monterroza Juan José Rodríguez Cruz José Felipe Véjar Torres Santa Tecla, 3 de agosto del 2014

2 Página 2 Introducción El electromagnetismo es una rama de la física que estudia la fusión de todos los principios eléctricos y magnéticos. Esta disciplina tiene muchas aplicaciones en inventos de la vida cotidiana y uno de ellos es la generación de calor por inducción magnética. En una configuración básica de calentamiento por inducción (GH, 2011), una fuente de alimentación genera una corriente alterna que atraviesa un inductor (normalmente una bobina de cobre) y la pieza a calentar se sitúa dentro de dicho inductor. El inductor actúa de primario del transformador y la pieza de circuito secundario. Cuando la pieza metálica es atravesada por el campo magnético, se inducen corrientes de Foucault en dicha pieza, dichas corrientes fluyen contra la resistividad eléctrica del metal, generando un calor localizado y preciso sin ningún contacto directo entre la pieza y el inductor. Este calentamiento ocurre con piezas magnéticas y no-magnéticas, y a menudo se conoce como Efecto Joule que hace referencia a la primera ley de Joule. En el presente informe se pretende explicar tanto de manera teórica y matemática este efecto, mediante la definición de los principios que este experimento involucra. También se proponen los beneficios que con lleva este experimento para usos de la vida cotidiana.

3 Página 3 Objetivos Objetivo General Comprobar los principios electromagnéticos estudiados en clase mediante el experimento de calor por inducción electromagnética. Objetivo Específico -Demostrar el funcionamiento del dispositivo mediante la evaporación de agua. -Analizar los beneficios de este fenómeno en la vida cotidiana.

4 Página 4 Descripción Un calentador por inducción es un dispositivo, que al proveerle con una corriente eléctrica, es capaz de autogenerar calor gracias a esta. Básicamente, lo que sucede es que al hacer circular corriente alterna en un inductor (bobinas de cobre o un transformador), el cual actúa como el primario de nuestra configuración, se genera un campo magnético variante en el tiempo. Al colocar una pieza de material conductor de calor (secundario) dentro del inductor, este es atravesado por el campo magnético lo cual genera una serie de efectos electromagnéticos que llevan al calentamiento de este. Principios electromagnéticos aplicados 1. Ley de Ampere: explica la distribución del campo magnético al hacer circular la corriente alterna por el primario. Su enunciado es el siguiente: "La circulación de un campo magnético a lo largo de una línea cerrada es igual al producto de por la intensidad neta que atraviesa el área limitada por la trayectoria".(departamento de Teconologia Electronica - Universidad de Vigo, 2012) 2. Ley de Faraday: al ser cambiante la corriente aplicada, lo que se genera es un campo magnético variable, por lo que también existe un flujo cambiante. Por lo anterior, se crea una fuerza electromotriz. La fuerza electromotriz inducida es igual a la variación de flujo magnético por unidad de tiempo (Departamento de Teconologia Electronica - Universidad de Vigo, 2012) 3. Corrientes de Foucault: son producto de la inducción de la fuerza electromotriz en el interior del conductor. Las corrientes de Foucault [ ] son corrientes inducidas en un medio conductor (con conductividad σ) en presencia de un flujo de campo magnetico variable con el tiempo. La ley de Induccion de Faraday-Lenz nos dice que ese flujo de campo magnetico variable con el tiempo genera un campo electrico, E, y ese campo

5 Página 5 electrico, a traves de la relacion J = σe, genera una distribucion de corrientes J en el seno del conductor, que son las denominadas corrientes de Foucault. (Pacheco & Soto, 2008/2009) 4. Efecto Joule: responsable del calentamiento del material, por acción de las corrientes de Foucault. "Si en un conductor circula corriente eléctrica y, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo"(ingeniatic, 2011) Corriente eléctrica, corriente inducida y campo magnético Cuando una corriente alterna se aplica al primario de un transformador, se genera un campo electromagnético. Según la Ley de Faraday, si el secundario del transformador se coloca dentro del campo magnético, se induce una corriente eléctrica (GH, 2011). Figura 1. Direcciones de campos y corrientes En la Figura 1 se puede observar la dirección del campo magnético (Φm) esta dirección se debe a la corriente aplicada (Ig). Como Ig varía con el tiempo entonces el campo magnético también lo hará. También se puede apreciar la dirección de la corriente inducida (If) en la pieza a calentar. Esta se debe a que la pieza a calentar se encuentra adentro del campo magnético del primario del transformador.

6 Página 6 En la Figura 2 se puede observar el diagrama de funcionamiento del proyecto. En primer lugar, se partió de un tomacorriente ubicado en una pared cualquiera; en segundo lugar, se conectó este al transformador por medio de un interruptor por motivos de seguridad y en último lugar, se colocó una varilla de cobre alrededor del transformador que funcionaría para nuestro caso como secundario y pieza a calentar. Figura 2. Diagrama de funcionamiento El funcionamiento de la máquina empieza cuando se le induce corriente alterna al transformador por medio del tomacorriente y activando el interruptor. Esto hace que se genere un campo magnético y las corrientes de Foucault que bajo el efecto Joule afectan la temperatura del cobre que se encuentra alrededor del transformador llevándolo desde temperatura ambiente hasta alrededor de 150 C. Modelo Matemático En primer lugar tenemos que si aplicamos una corriente a un conductor, este genera un campo magnético que cuya distribución viene dada por la ley de Ampere. (Cuenca, s/f)

7 Página 7 Donde i es la corriente que circula por el conductor, N es el número de espiras, l la longitud del circuito y H el campo magnético. Si la corriente que aplicamos al conductor es variable en el tiempo, el campo que se genera también lo es, por tanto generará un flujo magnético cambiante. Aplicando la ley de Faraday en un conductor sometido a un flujo magnético variable se generará una fuerza electromotriz cuyo valor es (Cuenca, s/f): Donde fem es la fuerza electromagnética inducida, N el número de espiras y ø el flujo magnético del campo magnético. Esta fuerza electromotriz inducida en el interior del conductor, genera una corriente (corriente de inducción o corriente de Foulcault) que es la responsable del calentamiento, por efecto Joule (Cuenca, s/f): Donde P es la potencia disipada en la resistencia equivalente R eq por la que circula la corriente i. Todo este procedimiento es equivalente al funcionamiento de un transformador, en el cual el primario es la bobina de inducción, y el secundario es el elemento a calentar, que es equivalente a una sola espira, cerrada con una resistencia, que es la resistencia equivalente.

8 Página 8 Conclusiones Al haber estudiado la parte teórica, implementarla en la construcción de este proyecto y viendo los resultados generados por este, podemos concluir que este proceso relativamente nuevo e ingenioso es realmente una buena alternativa para la sustitución de formas de calentamiento anteriores que, por el mismo hecho de ser ineficientes, generan un alto costo social a través de la contaminación. Esto debido a que por su configuración, su única fuente de alimentación es la energía eléctrica y que esta se está extrayendo de fuentescada vez más limpias. También a partir de lo anterior, hemos determinado que se podría llegar a crear una especie de círculo virtuoso en donde este método puede ser una nueva fuente de energía renovable, al sustituirse por las rudimentarias maquinas térmicas que necesitan de combustibles fósiles para la generación de energía. Podemos asegurar esto, ya que este proceso es extremadamente rápido y por lo tanto eficiente en dar resultados.

9 Página 9 Recomendaciones Si es posible colocar la pieza a calentar dentro del primario del transformador, si no es posible colocarlo lo más cerca que se puede de la bobina, ya que a medida la distancia entre la pieza a calentar y la bobina del primario aumentan va a disminuir la corriente inducida, el campo magnético y por ende el calor. Tomar todas las precauciones necesarias, puesto que la pieza a calentar puede tomar temperaturas desde 100 C hasta llegar a derretirse. Es necesario crear una estructura que proteja a las personas de sufrir algún tipo de quemadura. Mantener los cables del transformador lejos de la pieza a calentar para asegurar el funcionamiento del dispositivo y alargar la vida útil de la máquina. Tener cuidado en todo momento de lo que se está haciendo, ya que se está trabajando con energías invisibles, poderosas pero peligrosas como son la eléctrica y magnética. proceso. Tener un termómetro o amperímetro para demostrar la variación en temperatura a lo largo de todo el Para efectos demostrativos se puede calentar o evaporar agua o cualquier otro tipo de líquido.

10 Página 10 Anexos Anexo 1. Utilidades y beneficios (GH, 2011). 1. Productividad máxima: Al ser aplicado este experimento a procesos productivos de materiales, se pueden llegar a maximizar las tasas de productividad de una fábrica. Esto debido a que este procedimiento es extremadamente rápido ya que el calor se genera instantáneamente. 2. Eficiencia energética: Energéticamente hablando, este proceso es de los más eficientes al convertir en calor el 90% de la energía que se le provee. 3. Energia verde: Los sistemas de calentamiento por inducción no se queman como los combustibles fósiles tradicionales. La inducción es un proceso limpio, no contaminante que ayuda a proteger el medioambiente. [ ] elimina el humo, el calor excesivo, las emisiones tóxicas y el ruido [ ] Anexo 2. Proyecto terminado

11 Página 11 Referencias Bibliográficas Cuenca, M. (s/f). Peestudio para el desarrollo de un equipo de calentamiento por inducción. Universidad Autónoma de Madrid. Recuperado de 20de%20un%20equipo%20de%20calentamiento%20por%20induccion.pdf Departamento de Tecnología Electrónica- Universidad de Vigo. (2 de marzo de 2012). Electromagnetismo. Universidad de Vigo. Recuperado de electromagnetismo_leyes.htm#leyampere GH, E. (2011). Calentamiento por inducción. GH group. Recuperado de Ingeniatic. (2011). Joule. Ingeniatic. Recuperado de item/248-joule-james-prescott Pacheco, C. & Soto, J. (2008/2009). Laboratorio de Electromagnetismo. Universidad de Valencia. Recuperado de