MARCOS OMAR CRUZ ORTEGA 08/12/2009

Transcripción

1 Física II (Inductancia Magnética) Presentado por: MARCOS OMAR CRUZ ORTEGA (Actual alumno de Ing. en Sistemas Computacionales) 08/12/2009

2 Tabla de contenido 1 Introducción El campo magnético Inductancia Magnética Inductancia Mutua Ejercicios de inductancia Densidad de flujo Ejercicio de densidad de flujo Energía asociada a un campo magnético Ejercicios de energía asociada a un campo magnético

3 1 Introducción El magnetismo desempeña un papel importante en casi todos los aparatos eléctricos que se emplean actualmente en la industria, las investigaciones o el hogar. Los generadores, los motores, los transformadores, los interruptores de circuitos, los aparatos de TV etc. utilizan los efectos magnéticos producidos por el flujo de carga o corriente, o sea, el electromagnetismo. Muchas computadoras emplean cintas y discos magnéticos, para almacenar los números bits de datos. La brújula, utilizada por los marinos chinos desde el siglo II a. C., se basa en un imán permanente para indicar la dirección. Tal imán se hace de un material, como el acero, que permanece imantado durante largo tiempo sin ayuda de medios externos, como la corriente que se requiere para el electromagnetismo. Con respecto a la inductancia, existen fenómenos de inducción electromagnética generados por un circuito sobre sí mismo llamados de inducción propia o autoinducción; y los producidos por la proximidad de dos circuitos llamados de inductancia mutua ambas serán estudiadas en el presente trabajo al igual que otros temas de igual relevancia. Física II - Inductancia Magnética

4 2 El campo magnético Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un campo magnético. Los campos magnéticos suelen representarse mediante líneas de campo magnético o líneas de fuerza. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse el esquema de líneas de fuerza. 4

5 Igualmente, si se agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura. Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de partículas o los espectrógrafos de masas. 3 Inductancia Magnética. La inductancia es el campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma que conforma un inductor. Un inductor puede utilizarse para diferenciar señales cambiantes rápidas o lentas. Al utilizar un inductor con un condensador, la tensión del inductor alcanza su valor máximo a una frecuencia dependiente de la capacitancia y de la inductancia. La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Con muchas espiras se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos considerablemente la inductancia. Existen fenómenos de inducción electromagnética generados por un circuito sobre sí mismo llamados de inducción propia o autoinducción; y los producidos por la proximidad de dos circuitos llamados de inductancia mutua. 5

6 Un ejemplo de inductancia propia, lo tenemos cuando por una bobina circula una corriente alterna. Como sabemos, al circular la corriente por la bobina formará un campo magnético alrededor de ella, pero al variar el sentido de la corriente también lo hará el campo magnético alrededor de la bobina, con lo cual se produce una variación en las líneas del flujo magnético a través de ella, esto producirá una fem inducida en la bobina. La fem inducida con sus respectivas corrientes inducidas son contrarias a la fem y la corriente recibidas. A este fenómeno se le llama autoinducción. Por definición: la autoinducción es la producción de una fem en un circuito por la variación de la corriente en ese circuito. La fem inducida siempre se opone al cambio de corriente. La capacidad de una bobina de producir una fem autoinducida se mide con una magnitud llamada inductancia. La bobina es conocida como autoinductor o simplemente inductor. En muchos circuitos de corriente alterna se utilizan inductores o bobinas con el objetivo de producir, en forma deliberada, inductancia en el circuito; cuando ésta posee un gran número de espiras tiene un alto valor de inductancia y en caso contrario su valor es pequeño. Cuanto mayor sea la inductancia, más lentamente se elevará o descenderá la corriente dentro de la bobina. La unidad de inductancia es el Henry (H), llamada así en honor de Joseph Henry ( ), maestro y físico estadounidense pionero en el estudio del electromagnetismo. Como el fenómeno de la inductancia se debe a que un cambio de corriente en una bobina induce una fem en ella, el Henry se puede definir en términos de la fem inducida por unidad de rapidez de cambio de la corriente. 6

7 Por lo tanto, la inductancia equivale a un henry si la rapidez de cambio de la corriente es de un ampere por segundo e induce una fem de un volt. Matemáticamente se expresa: O bien, si despejamos a la fem inducida queda: Donde: L= inductancia expresada en volts-segundo/ampere= Henry (H). ε = fem inducida medida en volts. i = cambio de la corriente en amperes (A). La letra i indica que es una corriente inducida. t = tiempo en el que se efectúa el cambio en la corriente medida en segundos (seg). El signo negativo indica que la fem autoinducida ε es una fuerza electromotriz que se opone al cambio de la corriente. La forma geométrica de la bobina afecta su inductancia. Por ello, existen inductores de diversos tamaños y formas en los que varía el número de espiras y la longitud del conductor; algunos tienen núcleos de hierro y otros no. Para el caso de una bobina larga de sección transversal uniforme, la inductancia se calcula con la expresión: 7

8 Donde: L= inductancia de la bobina expresada en henrys (H). µ= permeabilidad magnética del núcleo medida en webers/ampere-metro (wb/am). N= número de espiras de la bobina. A= área de la sección transversal del núcleo en metros cuadrados (m2). l=longitud de la bobina en metros. (m). 3.1 Inductancia Mutua. Cuando 2 bobinas se colocan una cerca de la otra, al pasar una corriente i por una de ellas, creará un campo magnético cuyo flujo penetrará a través de la otra, de tal manera que se puede inducir una fem en cada una por el efecto de la otra. La bobina en la que circula la corriente en forma inicial recibe el nombre de bobina primaria y en la que se induce una fem, bobina secundaria. El valor de la fem secundaria inducida es directamente proporcional a la rapidez con que cambia la corriente en la bobina primaria. Matemáticamente se expresa: 8

9 Despejando el valor de M tenemos: ip Donde M=constante que recibe el nombre de inducción mútua del sistema de 2 bobinas. 9

10 3.1.1 Ejercicios de inductancia. 1. Un alambre de cobre se enrolla en forma de solenoide sobre un núcleo de hierro de 5 cm de diámetro y 25 cm de largo. Si la bobina tiene 220 vueltas y la permeabilidad magnética del hierro es de 1.8x10-3 wb/am. Calcular la inductancia de la bobina. Datos r=0.025 m l=0.25 m N= Fórmulas Calculando el área:

11 2. Una bobina de 500 espiras tiene un núcleo de 20 cm de largo y un Datos área de sección transversal de 15 x 10-4 m2. Calcular la inductancia de la bobina: a) si esta tiene un núcleo de hierro con una permeabilidad relativa de 1 x104. b) si el núcleo de la bobina es aire. Fórmulas N=500 l=0.20 m A= 15 x 10-4 m L=? μrfe=1x10 4 a) Cálculo de la permeabilidad magnética del hierro / / b) Como la permeabilidad magnética del aire es prácticamente igual a la del vacío tenemos que: Sustitución y resultados: ó. 11

12 3. Calcular la fuerza electromotriz inducida en una bobina cuya inductancia es de 0.5 H, si la corriente varía 80 miliamperes cada segundo. Datos? L=0.5 H=0.5 Vs/A i=80x10-3 A t=1 seg. Fórmulas SOLUCION: ó 40 12

13 4. Una bobina cuya corriente varía con una rapidez de 2 A/seg se encuentra cerca de otra a la cual le induce una fem de 12 milivolts. Calcular el valor de la inducción mutua de las dos bobinas. Datos i/ t=2 A/seg ε=12x10-3 V M=? Fórmulas SOLUCION: ó 13

14 4 Densidad de flujo En el sistema de unidades SI, el flujo magnético se mide en webers (Wb) y tiene el símbolo Φ. El número de líneas de flujo por unidad de área se denomina densidad de flujo y se representa con la letra mayúscula B. su magnitud se determina por la siguiente ecuación. B Φ A B= webers/m2 Φ= webers A= m2 Donde Φ es el número de líneas de flujo que pasan por el área A. Como se observo en la ecuación anterior, la densidad del flujo magnético en el sistema de unidades SI se mide en teslas, para las cuales el símbolo es T. por definición: 1 tesla= 1Wb/m Ejercicio de densidad de flujo Para el núcleo de la figura mostrada a continuación determínese la densidad de flujo B en teslas. Φ 6 10 Φ A 1.2 m Solución: B Φ A T. 14

15 5 Energía asociada a un campo magnético. Debido a que la fem inducida por un inductor evita que una batería establezca una corriente instantánea, la batería tiene que efectuar trabajo contra el inductor para crear una corriente. Parte de la energía suministrada por la batería se convierte en calor que se disipa en el resistor, en tanto que la energía restante se almacena en el inductor. Para calcular la energía almacenada en un inductor lo podemos hacer mediante la siguiente ecuación. Donde: UB= energía asociada a un inductor en Joules. L= inductancia en Henrys. I= intensidad de corriente del circuito en Amperes (A). 15

16 5.1.1 Ejercicios de energía asociada a un campo magnético. 1. Determinar la energía almacenada por un toroide de 10 mil vueltas, con una longitud media de 2 metros y un área de sección transversal de 20 cm2, si la corriente que entra al toroide es de 20 amperes. Datos? / 2 Fórmulas 1 2 SOLUCION: /

17 2. Dos inductores L1= 85 µh y L2=200 µh se conectan en un circuito que suministra una corriente de 850 miliamperes. Calcule la energía almacenada en cada inductor. Datos?? Fórmula 1 2 SOLUCION:

18 3. Un solenoide de núcleo de aire con 68 vueltas mide 8 cm de largo y tiene un diámetro de 1.2 cm. Cuánta energía se almacena en su campo magnético cuando conduce una corriente de 0.77 amperes?. Datos? 68 Ф / Fórmula2 1 2 SOLUCION:.... /.. =. Henrys