4.- Interacción entre campos magnéticos y corrientes eléctricas. Campos magnéticos creados por corrientes. 4.1.- Excitación magnética Oersted descubrió experimentalmente que una corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor. Más tarde se descubrió que para potenciar el campo magnético era necesario formar bobinas de muchas espiras y además, enrollarlas sobre materiales ferromagnéticos. De esta forma se obtienen campos magnéticos de valores elevados. La capacidad de una bobina para crear un campo magnético se llama excitación magnética (H). Ampere formuló un teorema del cual se deduce que H depende del número de espiras, de la intensidad de corriente y de la longitud de la línea de fuerza media del campo, pero no del medio físico donde esté la bobina. Matemáticamente H I L = (4) donde: N: número de espiras. Se mide en vueltas (v). I: intensidad de corriente en amperios (A) L: longitud de la línea de fuerza media en metros (m) Nota: al producto N*I se le conoce como fuerza magnetomotriz y sus unidades son amperios-vuelta (Av). Por tanto las unidades de H son Av. m
4.2.- Influencia del material (núcleo de la bobina) Es obvio que si buscamos aprovechar la H de una bobina, tendremos que enrollarla sobre material ferromagnético. De esta forma obtendremos campos magnéticos elevados. Matemáticamente I B = µ H = µ (5) L En la fig. 13 podemos ver un núcleo de material ferromagnético sobre el que se enrolla una bobina. Obsérvese como el campo magnético es atraído por el núcleo al ser mucho mejor conductor magnético que el aire ambiental. Podemos decir entonces que el campo magnético, circula por el hierro y no por el aire. Acabamos de crear un electroimán. Fig. 13.- Campo magnético de una bobina con núcleo ferromagnético Finalmente si S es la sección transversal del núcleo ferromagnético, B y la sección son perpendiculares (fig 14), luego para el cálculo del flujo podemos aplicar la expresión (1). Tenemos entonces Fig. 14.- Detalle de la sección transversal del núcleo
I φ = B S = µ H S = µ S (6) L donde: S: sección transversal del núcleo en (m 2 ). Actividad 6 Partiendo de la expresión (5), deducir las unidades de la permitividad magnética absoluta (µ). Actividad 7 Se tiene un núcleo de material ferromagnético cuadrado (fig. 15) sobre el que se enrolla una bobina de 100 espiras por la que se hacen pasar 2 (A). Determinar: 1.- La excitación magnética 2.- La inducción y el flujo del campo magnético si el material es una ferrita de permitividad relativa 2000. 3.- La inducción y el flujo del campo magnético si el material es mumetal de permitividad relativa 10.000. Fig. 15 4.- Comparar los resultados. 4.3.- Sentido del campo magnético. Regla de la mano derecha. Ya vimos como calcular la inducción (B) y el flujo (φ ) creados por una bobina en un núcleo de material ferromagnético. Falta por determinar el sentido del campo magnético, que depende del arrollamiento y del sentido de la corriente. Se aplica la regla de la mano derecha. En ella, se simula el arrollamiento con los dedos de la mano y, el pulgar indica el sentido del campo. En la fig. 16 vemos como la intensidad entra por el extremo de arriba de la bobina. El conductor abraza el núcleo desde adelante hacia atrás; esa es la situación de debemos simular con la mano derecha. Finalmente el pulgar nos indica el sentido del campo.
Fig. 16.- Aplicación de la regla de la mano derecha Ejemplos Veamos el sentido del campo magnético en las fig. 17a, 17b,17c y 17d.
El contactor. El contactor es un elemento fundamental en las instalaciones eléctricas y frigoríficas. Se utiliza para conectar y desconectar el compresor de una instalación frigorífica. Se basa en el campo magnético creado por una bobina con núcleo ferromagnético (fig 18). Si se conecta la bobina de la pieza ferromagnética 1, a una fuente de tensión, por ella circulará corriente. Esta corriente origina un campo magnético y este a su vez, una fuerza de atracción sobre la pieza ferromagnética 2, que se pega a la pieza 1. Este movimiento arrastra a los contactos eléctricos que se cierran conectando el compresor. La desconexión sigue un proceso inverso. Fig. 19.- Aspecto y despiece del contactor Fig. 18.- Funcionamiento del contactor
La válvula solenoide. Solenoide es sinónimo de bobina y de electroimán. La válvula solenoide se utiliza en las instalaciones frigoríficas para abrir y cerrar el paso de líquido refrigerante hacia el evaporador (fig. 20). Estos procesos de apertura y cierre se deben a la fuerza del campo magnético de la bobina sobre un vástago. Al igual que el contactor, la filosofía es conectar-desconectar la tensión de la bobina. Fig. 20.- Aspecto de una válvula solenoide El interruptor automático (PIA) En los cuadros de protección de las instalaciones eléctricas encontramos Pequeños Interruptores Automáticos (PIA), que protegen frente a cortocircuitos gracias a la fuerza ejercida por una bobina sobre un vástago. Un cortocircuito es una corriente muy superior a la normal, por lo que la fuerza magnética también será superior a la normal y suficiente para abrir los contactos (Fig. 21 )
Fig. 21. 4.4.- Ley de Hopkinson. Circuitos magnéticos Hopkinson tuvo la idea de formular una analogía entre circuitos eléctricos y magnéticos, reflejada en la siguiente tabla. CIRCUITO ELECTRICO CIRCUITO MAGNÉTICO El conductor Cobre,aluminio Material ferromagnético Lo que circula Intensidad de corriente Flujo magnético (I) (φ ) La causa de que circule Fuerza electromotriz (Fem) Fuerza magnetomotriz (Fmm) La oposición a que circule Resistencia eléctrica (R) Reluctancia magnética (R ) Ley de Ohm Ley de Hopkinson Ley fundamental Fem I = φ = Fmm R R Por tanto se puede resolver un circuito magnético aplicando las mismas técnicas que en los circuitos eléctricos, siendo el flujo magnético lo que circula sobre núcleos de material ferromagnético. Hopkinson definió la ley que lleva su nombre. Fmm I φ = = (7) R R
donde: φ : flujo en webers (Wb) Fmm: fuerza magnetomotriz ; unidades Amperios-vuelta [Av] R : reluctancia; unidades R = Fmm φ Av Wb Por tanto, la reluctancia de un circuito magnético es la oposición que este presenta a la circulación del flujo magnético. Ejemplo de la Ley de Hopkinson Qué ocurrirá en un circuito magnético, si extraemos un trozo de hierro de 1 cm de longitud, suponiendo que la intensidad de la bobina no varía? (Fig.22) Fig. 22
Donde antes había hierro, ahora hay aire, luego la reluctancia del circuito magnético aumenta mucho, porque el aire es diamagnético. Como nos dicen que la intensidad no varía, la Fmm tampoco (N*I permanece constante). Luego Fmm I no varía φ = = φ R R aumenta Detalle de ampliación de conocimientos DISMINUYE El pequeño espacio de aire entre dos piezas ferromagnéticas se llama entrehierro. Todas las máquinas eléctricas rotativas (motores y generadores), presentan un entrehierro entre la parte estática (estator) y la parte giratoria (rotor). Ver fig.23 Fig. 23.- Entrehierro en una máquina eléctrica rotativa