Fundamentos del Magnetismo y Electromagnetismo
Teoría Molecular de los Imanes
La teoría molecular de los imanes postula que las moléculas de hierro poseen dos polos. Cuando estas moléculas están ubicadas en la masa metálica, se encuentran en un perfecto estado de equilibrio.
Magnetización y Desmagnetización
- Magnetización del Hierro: Se produce por frotación, contacto, o por la generación de un campo eléctrico a través de la corriente eléctrica.
- Desmagnetización del Hierro: Se produce principalmente aplicando una bobina con corriente alterna. Esto genera un cambio de polaridad que provoca el desordenamiento de las moléculas.
Electromagnetismo (Descubrimiento de Oersted)
En 1819, Oersted descubrió que al acercar una brújula a un conductor cargado, esta sufría la influencia de un campo magnético. Cuando la brújula se alejaba del conductor, volvía a actuar bajo el campo magnético provocado por una bobina.
Campo Magnético Generado por Bobinas
Si se colocan numerosas espiras próximas entre sí y se las carga eléctricamente, los campos magnéticos de cada una de ellas se suman, provocando un campo magnético resultante.
Determinación de la Polaridad de una Bobina
Se establece que el sentido de la corriente es de positivo (+) a negativo (-). A veces, la circulación del flujo de electrones también se toma por convención.
Conceptos de Flujo e Inducción
- Flujo Magnético (Φ): Es el pasaje de líneas de fuerza a través de una superficie no unitaria.
- Inducción Magnética (B): Es el pasaje de líneas de fuerza a través de una superficie unitaria.
Campo Magnético y Líneas de Fuerza
El campo magnético se genera por un imán. Al acercar una brújula, esta experimenta movimientos. Si desplazamos la brújula alrededor del imán, notaremos cómo esta irá girando, buscando la atracción de polos opuestos.
- Líneas de Fuerza: Se manifiestan en los campos magnéticos provocados por un imán y estas irán de Norte a Sur.
- Densidad Magnética: Es la cantidad de líneas de fuerza que hay sobre una superficie.
Ley de Coulomb para Masas Magnéticas
La fuerza de atracción o repulsión entre dos masas magnéticas es directamente proporcional a las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Magnetismo Inducido y Blindaje
- Magnetismo Inducido: En presencia de una masa magnética, se le acerca un metal y se genera una fuerza de atracción.
- Blindaje Magnético: Para evitar efectos de líneas de fuerza no deseados, se utilizan blindajes magnéticos para conducir las líneas de fuerza.
Intensidad de Campo (H)
La intensidad de campo es directamente proporcional a la intensidad del circuito en amperios (A) e inversamente proporcional a la longitud de la bobina.
Propiedades Magnéticas de los Materiales
Permeabilidad Magnética (μ)
La permeabilidad magnética es la facilidad que tienen algunas materias para el pasaje de líneas de fuerza. Aquellos materiales que oponen resistencia se dice que tienen capacidad de reluctancia.
Tipos de Permeabilidad
- Permeabilidad en el Vacío (μ₀): Es el flujo magnético en relación a la intensidad por metro lineal de la bobina en estado de vacío.
- Permeabilidad Relativa (μᵣ): Es la relación entre el flujo magnético de una bobina con núcleo y la misma bobina sin núcleo.
- Permeabilidad Absoluta (μ): La inducción magnética (B) es proporcional a la permeabilidad absoluta y la intensidad de campo (H). (B = μH)
Clasificación de Materiales Magnéticos
Clasificación basada en la inducción magnética (B) comparada con la inducción en el vacío (B₀):
- Diamagnéticos: La inducción (B) con núcleo de este material es menor que con aire (B < B₀).
- Amagnéticos: La inducción (B) con núcleo de aire y núcleo de este material son iguales (B ≈ B₀).
- Paramagnéticos: La inducción (B) es mayor que la inducción al vacío (B > B₀).
- Ferromagnéticos: La inducción (B) con núcleo supera claramente los valores de inducción con el núcleo vacío (B >> B₀).
Leyes de la Inducción Electromagnética
Ley de Faraday
La Fuerza Electromotriz (FEM) inducida es directamente proporcional a la variación del flujo que la origina e inversamente proporcional al tiempo en que se produce dicha variación.
Observaciones de Faraday sobre la Inducción
- Si el imán está quieto, no hay corriente.
- Si el imán se mueve, hay corriente; pero si se detiene, la corriente cesa.
- Si se aleja el imán, cambia el sentido de la corriente.
- Cuanto más rápido pasa el imán, más corriente se induce.
- Mientras mayor sea el número de espiras, más corriente se induce.
- Si el imán es más intenso, mayor es la corriente.
Relación Fundamental
Electricidad + Magnetismo = Movimiento
Movimiento + Magnetismo = Electricidad
Histéresis Magnética
La histéresis magnética se presenta, por ejemplo, cuando al magnetizar un material ferromagnético, este mantiene la señal magnética tras retirar el campo magnético que la ha inducido. Este fenómeno también se puede encontrar en otros comportamientos electromagnéticos o elásticos.
Componentes de Máquinas Eléctricas Rotativas
Estátor y Rotor
- Estátor: Es la parte fija de una máquina rotativa. Es uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia (en motores eléctricos) o corriente eléctrica (en generadores eléctricos).
- Rotor: Es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica (motor o generador). Junto con el estátor, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia.
Inducido
En el contexto de las máquinas eléctricas, el inducido es la parte de la máquina rotativa donde se produce la transformación de energía eléctrica en energía mecánica mediante inducción electromagnética.
En las máquinas de corriente continua, el inducido es la parte giratoria. Está formado por un tambor construido de chapas apiladas de hierro al silicio de 0,5 mm de espesor con ranuras longitudinales en su periferia, en cuyo interior se alojan las bobinas donde se induce la fuerza electromotriz cuando este gira dentro del campo magnético creado por el inductor.
Núcleo Magnético
El núcleo magnético es una cantidad de material ferroso que se coloca en una bobina o en un transformador para proporcionar un trayecto con mejor permeabilidad que el aire para el flujo magnético. Esto incrementa la inductancia de la bobina y aumenta el acoplamiento entre los varios enrollados de un transformador.