FETD-UCSG TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA MAGNETOSTÁTICA FUERZA MAGNÉTICA SOLENOIDE Original Dr. José León. Modificado Por Orlando Philco A.
William Gilbert le dio una explicación de naturaleza magnética al fenómeno, pero no obtuvo ecuaciones. No fue hasta el año 1820 que Hans Christian Oersted, realizó trabajos en el magnetismo y los campos magnéticos. Todos habremos notado que los imanes son materiales que atraen con mucha fuerza a otros metales y a otros imanes. Poseen dos polos: Norte (N) y Sur (S). Después se verá el por qué de dichos nombres.
Ley de los Polos Magnéticos Es análoga a la Lay de las Cargas. Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se atraen Los polos magnéticos no son separables, siempre que existe un N, existirá un S a su lado. Imaginemos que queremos dividir un imán sucesivamente hasta niveles atómicos. Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce" sus dos polos. Si ahora volvemos a partir otra vez en dos, nuevamente tendremos cada trozo con dos polos norte y sur diferenciados. En magnetismo no existen los monopolos magnéticos.
Campo Magnético (B) La acción a distancia de los polos magnéticos se debe a la existencia del campo magnético. Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético se caracteriza por tener líneas de campo que se extienden por el espacio. Siempre dichas líneas salen del polo N y entran en el S. Campos magnéticos de un imán recto, un imán tipo herradura y dos polos N enfrentados.
Campo Magnético (B) Líneas mostrando el campo magnético de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro sobre papel.
Fuentes de campo magnético Campo magnético generado por una carga puntual en movimiento Debido a que las corrientes eléctricas en conductores generan campos magnéticos y, una corriente es la sucesión de partículas con carga en movimiento, nuestro punto de partida será conocer el campo magnético generado por una única carga en movimiento.
Fuentes de campo magnético Está claro que la fuente más fácil para producir un campo B es un imán. Sin embargo, no podemos regular o controlar la intensidad de dicho campo en estos casos. Oersted descubrió que alrededor de todo conductor con corriente eléctrica se produce un campo magnético.
Fuentes de campo magnético Para determinar el sentido de rotación del campo B alrededor del conductor con corriente, se emplea la Regla de la Mano Derecha: Donde μ es la permeabilidad magnética del medio (característica del medio en permitir que el campo B se extienda en él). En el vacío: μ o = 4p 10-7 T m/a Obsérvese que el campo B depende de la intensidad de la corriente I.
Fuentes de campo magnético Unidades del campo B. B [ T ] (Tesla) [ G ] (Gauss) Espira con corriente. Con la espira se obtienen campos B 3 veces mayores.
Campo Magnético generado por conductor recto Las siguientes figuras muestran cómo se orientan una serie de brújulas cuando se las coloca alrededor de un conductor que transporta una determinada corriente. Puede observarse en la Figura 12 a, las brújulas se orientan en el campo magnético terrestre, mientras que en la Figura 12 b las mismas se orientan en el campo magnético generado por el cable (ya que éste último es más intenso que el de la tierra). Por último la Figura 12 c muestra que el sentido del campo magnético está determinado por la regla de la mano derecha tal como queda demostrado por la presencia de las brújulas.
Fuentes de campo magnético Cuando se estudiaron los campos eléctricos hemos observado la existencia de campos eléctricos uniformes. Los campos uniformes tienen mucha utilidad práctica porque tienen diversas aplicaciones. De un modo similar un campo magnético uniforme es generado por un solenoide Solenoide o bobina. Es una sucesión de espiras unas al lado de las otras.
Podemos, mediante limaduras de hierro, conocer la estructura del campo magnético, lo cual se observa en la siguiente figura. (a) el campo magnético, en el interior del solenoide, siempre es paralelo a un eje longitudinal del solenoide; (b) dicho campo, es uniforme; (c) en los extremos del solenoide el campo pierde dicha uniformidad y (d) afuera del solenoide el campo es nulo. Cuanto más largo es el solenoide, se puede comprobar una mejor uniformidad del campo magnético en el interior del solenoide. Campo B del solenoide. Los campos magnéticos de cada espira se superponen para formar un único campo B.
Fuentes de campo magnético Campo B del solenoide (en su interior). Donde: N: número de espiras L: largo del solenoide r: radio del solenoide Nótese que ahora el campo B aumenta con el numero de vueltas y la corriente I
Fuentes de campo magnético Alambre recto con corriente: Espira con corriente. Campo B del solenoide (en su interior).
Geometría del inductor: Consiste en un enrollado en una forma generalmente cilíndrica. El parámetro que caracteriza al inductor es la inductancia L La unidad de medida de L es el Henrio (H) en honor a Joseph Henry (1799-1878). Múltiplos Submúltiplos No se usan H mh uh
Parámetros geométricos del inductor: largo (L) diámetro (d) número de vueltas (N) Tipos de núcleos: Aire Hierros Ferritas La inductancia L depende del número de vueltas, del diámetro de las espiras, del largo de la bobina y del tipo de núcleo. Al introducirle un núcleo se aumenta la μ y con ello se multiplica el campo B. Representación circuital del inductor:
Material Tipos de núcleos usados en la industria: Composición aproximada Fe Ni Co Mo Otros Permeabilidad Acero laminado en frío 98.5 --- --- --- --- 2,000 Hierro 99.91 --- --- --- --- 5,000 Hierro purificado 99.95 --- --- --- --- 180,000 Hierro al 4% silicio 96 --- --- --- 4 Si 7,000 45 Permalloy 54.7 45 --- --- --- 25,000 Permalloy 45 54.7 45 --- --- --- 50,000 Hipernik 50 50 --- --- --- 70,000 Monimax --- --- --- --- --- 35,000 Sinimax --- --- --- --- --- 35,000 Permalloy 78 21.2 78.5 --- --- 0.3 Mn 100,000 Permalloy 4-79 16.7 79 --- 4 0.3 Mn 100,000 Mu metal 18 --- --- --- --- 100,000 Supermalloy 15.7 79 --- 4.3 --- 800,000 Permendur 49.7 79.0 --- 05.0 --- 5,000 Permendur 2V 49 --- --- --- --- 4,500 Hiperco 64 --- --- --- --- 10,000 Permalloy 2-81 17 --- --- --- --- 130 Hierro Carbonyl 99.9 --- --- --- --- 132 Ferroxcube III --- --- --- --- --- 1,500
Al introducir un núcleo el campo B aumenta significativamente.
Distintos tipos de inductores. Obsérvese sus formas.
Medición de inductores. El inductimetro.
Cálculo de la inductancia de un inductor. Fórmula de Wheeler. (bobina monocapa) N: número de vueltas d: diámetro en mm L: largo en mm
Cálculo de la inductancia de un inductor. Ejemplo: N=7 d= 10 mm L= 100 mm L = 0,5 uh
Tipos de núcleos. Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material plástico, cartón, etc. Poseen muy bajo valor de inductancia. (desde menos de 1 uh hasta decenas de uh) Núcleo de hierro: aumenta el valor de la inductancia. Sólo se emplea en bajas frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones: fuentes de alimentación y amplificadores de audio. Poseen valores de mh. Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos. Poseen grandes valores de inductancias. Se emplean en radiofrecuencias. Poseen valores de entre uh y mh.
Aplicaciones de los inductores: Bloquear el paso de la CA: bloquear ( choke en inglés) el paso de CA o radiofrecuencia en circuitos de CC. Transformadores: constituyen las bobinas de los transformadores. Filtros: para seleccionar el paso de determinadas frecuencias y bloquear otras. En circuitos de sintonías: junto con un capacitor forman un circuito LC que permite la sintonía de frecuencias.
Tipos de inductores: Solenoides: son estructuras más alargadas que anchas. Pueden o no tener varias capas de enrollados. Solenoides con núcleo de aire Solenoides con núcleo de ferrita. (Pueden llegar hasta decenas de mh) Se emplean en aplicaciones generales, filtros, convertidores DC/DC, etc.
Tipos de inductores: Toroides: son estructuras circulares, su enrollado se presentan en forma de lanzaderas. El campo magnético se confina en su estructura por lo que tienen altos valores de inductancia. Toroide típico. Puede llegar a decenas de mh. Se emplean en fuentes de alimentación, transformadores, acopladores de RF, etc.
Tipos de inductores: Encapsulados: son estructuras encapsuladas en cerámicas. Sus valores de inductancia son pequeños, del orden de decenas a centenares de uh. Tienen aplicaciones en equipos de radio, en las etapas de osciladores y filtros de RF. Chips: son estructuras encapsuladas en chips. Sus valores de inductancia son pequeños, del orden de 1mH. Tienen aplicaciones generales.
Tipos de inductores: Variables: poseen un núcleo que entra y sale del enrollado lo que permite varias su valor de inductancia. Estos valores pueden estar entre 100 uh y decenas de mh. Se emplean en etapas sintonizadas de RF, osciladores y circuitos de RF como transmisores y receptores
Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños.
Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños.
Ejemplos de inductores:
Materiales magnéticos Los materiales se clasifican de acuerdo a como respondan frente a un imán: Materiales ferromagnéticos: Son atraídos fuertemente por un imán. (hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero ) Materiales paramagnéticos: Son atraídos débilmente por un imán. (aire, aluminio (Al), calcio (Ca), platino (Pl), magnesio (Mg), paladio (Pd) ) Materiales diamagnéticos: Son repelidos débilmente por un imán. (cobre (Cu), bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), estaño (Sn), zinc (Zn), agua.)
Materiales magnéticos Teoría de los dominios de Webber. Cada electrón que orbita al núcleo constituye una corriente eléctrica. Por ello, tiene asociado un campo B. Ahora bien, cada campo B de cada electrón interactúa con los campos B de sus vecinos. Por ello, los electrones se reorganizan en sus órbitas y cada átomo tendrá un campo B resultante. Es de razonar entonces que cada campo B en cada átomo interactúa con los campos B de los átomos vecinos, formándose entonces colonias de átomos de campo B promedio. A estas colonias se les denomina dominios magnéticos.
Materiales magnéticos Teoría de los dominios de Webber. Dominios magnéticos. Cada región del dominio se caracteriza por tener un campo B promedio en una dirección específica del espacio. Cabe preguntarse ahora, cómo responden las estructuras de los dominios magnéticos en los materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos al estar en presencia de un imán?
Materiales magnéticos Teoría de los dominios de Webber. Materiales ferromagnéticos. Estos reorientan muy fácilmente sus dominios en presencia de un campo B exterior. Una vez reorientados, se comportan como in imán. Las fronteras de los dominios se agrandan. Al quitar el campo B externo, vuelve a recobrarse parcial o totalmente la situación inicial.
Materiales magnéticos Teoría de los dominios de Webber. Materiales ferromagnéticos. En presencia de un campo externo, sus dominios se alinean con las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán, por eso son atraídos por éstos.
Materiales magnéticos Teoría de los dominios de Webber. Materiales paramagnéticos. En presencia de un campo externo, algunos de sus dominios se alinean con las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán débil y por eso son atraídos débilmente por éstos.
Materiales magnéticos Teoría de los dominios de Webber. Materiales diamagnéticos. En presencia de un campo externo, algunos de sus dominios se alinean en contra de las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán débil y por eso son repelidos débilmente por éstos.
Efecto Hall El físico Estadounidense Edwin Hall descubrió el fenómeno del efecto hall en 1879, en donde afirma que si una corriente fluye en un conductor (o semiconductor) y se le aplica un campo magnético perpendicular a dicha corriente, entonces genera un voltaje perpendicular a ambos. Este fenómeno se denomina Efecto Hall que se emplea como base de sensores de movimiento, lineal o rotatorio.. También se emplean como sensores de corriente. En robótica generalmente se utilizan como sensores internos. La señal de Hall es débil y dependiente de la temperatura, por lo que se emplean acondicionadores de la señal y compensadores en el mismo circuito integrado sensor
Los sensores basados en efecto Hall son usados como sensores intrínsecos de posición y velocidad por su resistencia y tolerancias a fallos. La industria automotriz los ha adoptado hace años con excelentes resultados en sensores de posicionamiento absoluto y relativo en los motores. Ej. Sensor de campo magnético integrado. Produce una tensión de salida lineal, proporcional a la relación proporcional al campo magnético aplicado con la superficie del chip. A grandes rasgos, el Efecto Hall consiste en la aparición de una diferencia de potencial eléctrico entre los extremos de un conductor atravesado por un campo magnético por el que circula una corriente.
PREGUNTAS PARA EVALUACIÓN DE TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA DE LA FETD Cómo se puede determinar si un metal es ferromagnético o no? Cómo se produce la Inducción electromagnética?. Qué es la Autoinductancia e Inductancia mutua?. En qué consiste el efecto Hall?
Campo magnético terrestre. La Tierra, al igual que otros planetas, incluso el Sol, tiene un campo magnético a su alrededor. El polo N está muy cercano al polo Norte geográfico y el polo S muy cercano al Sur geográfico. (inclinación de 11 grados). De ahí los nombres de los polos magnéticos. La aplicación más inmediata que tuvo este fenómeno fue la orientación mediante la brújula.
Campo magnético terrestre. Hay hipótesis que establecen que el origen de dicho campo es el núcleo de la Tierra que esta en movimiento y forma corrientes eléctricas en remolino.
Campo magnético terrestre. En los polos es más intenso que en el ecuador. De ahí las auroras boreales.
Campo magnético terrestre. El campo magnético terrestre es afectado por las exposiciones solares y el viento solar que este emite en cada exposición. Tiene consecuencias graves en las telecomunicaciones.
BiBLIOGRAFÍA León José (2012) Física Escuela de Ingeniería. UDI. Obtenido de: http://slideplayer.es/slide/7432849/