Magnetismo
El magnetismo es la propiedad que tienen ciertos materiales para atraer el hierro, fundamental en el funcionamiento de las máquinas eléctricas. Los imanes se clasifican en:
- Imanes permanentes: Retienen su magnetismo sin necesidad de estímulos externos. Ejemplos: imanes naturales de tierras raras como el neodimio o el samario.
- Imanes temporales: Generan magnetismo solo bajo la influencia de estímulos, como corriente eléctrica (electroimanes).
Los polos magnéticos se identifican como norte (N) y sur (S). Al unir polos iguales, se repelen; al unir opuestos, se atraen.
Campo Magnético
Es la región donde se perciben fuerzas magnéticas. Las líneas de fuerza representan el flujo del campo, que va de norte a sur. Su intensidad se mide en teslas (T), y su flujo magnético total se representa como Φ, medido en webers (Wb). La inducción magnética, o densidad de flujo, se define como la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan una superficie.
Electromagnetismo
El electromagnetismo estudia la interacción entre electricidad y magnetismo.
- Campo magnético en un conductor: Una corriente eléctrica genera un campo magnético alrededor del conductor. El sentido del campo se determina con la regla de la mano derecha.
- Campo en una espira y bobina: Una espira concentra el campo magnético, y varias espiras forman una bobina o solenoide, potenciando el campo generado.
- Intensidad del campo magnético: Depende de la corriente (I) y del número de espiras (N), y se mide en amperios-vuelta por metro (Av/m).
- Fuerza magnetomotriz (FMM): Es la fuerza que genera un campo magnético, calculada como F = N ⋅ I.
Circuitos Magnéticos
Un circuito magnético utiliza materiales ferromagnéticos para guiar y potenciar las líneas de fuerza del campo magnético. Estos circuitos son comunes en electroimanes y núcleos de máquinas eléctricas. La reticencia mide la resistencia de un material a formar líneas de fuerza y se relaciona inversamente con la permeabilidad (μ).
Materiales Magnéticos
Los materiales se clasifican según su respuesta al campo magnético:
- Diamagnéticos: No interactúan con campos magnéticos (oro, cobre).
- Paramagnéticos: Responden débilmente (aluminio, titanio).
- Ferromagnéticos: Responden con alta intensidad y son usados en máquinas eléctricas (hierro, níquel, cobalto).
Histéresis Magnética
Cuando un material ferromagnético es magnetizado y luego desmagnetizado, conserva un magnetismo residual. Este efecto, llamado remanencia, se representa mediante el ciclo de histéresis. Los materiales con baja remanencia son preferibles para máquinas eléctricas, ya que minimizan las pérdidas de energía por calor.
Corrientes Parásitas
Las corrientes parásitas son flujos de corriente no deseados dentro del núcleo de los materiales ferromagnéticos, causados por campos variables. Estas corrientes generan calor y reducen la eficiencia de las máquinas eléctricas.
Transformadores
Conceptos Iniciales
Un transformador es un dispositivo que transfiere energía eléctrica entre dos circuitos mediante inducción electromagnética. Sus principales componentes son:
- Núcleo magnético: Concentrado en materiales ferromagnéticos para guiar el flujo.
- Bobina primaria: Conecta al suministro eléctrico.
- Bobina secundaria: Proporciona energía transformada al circuito de salida.
Clasificación de Transformadores
Por Función:
- Elevadores y reductores: Ajustan el nivel de voltaje.
- De aislamiento: Separan circuitos para seguridad.
- De medición: Utilizados en sistemas de protección y control.
Por Corriente:
- Monofásicos: Usados en sistemas de baja potencia.
- Trifásicos: Comunes en redes eléctricas industriales.
Materiales Constructivos
- Chapas de acero al silicio: Reducen pérdidas por histéresis y corrientes parásitas.
- Aislantes: Aseguran que las bobinas no entren en contacto directo.
Características Eléctricas
- Relación de transformación: Proporción entre el número de espiras en la bobina primaria y secundaria, que determina el cambio de voltaje.
- Pérdidas:
- En el núcleo: Por histéresis y corrientes parásitas.
- En las bobinas: Por resistencia interna.
- Eficiencia: Relación entre la potencia de salida y entrada.
Cálculo de Transformadores
Monofásicos:
- Diseñado para una sola fase eléctrica, considerando potencia, corriente y tensión.
Trifásicos:
- Involucran tres fases, comunes en aplicaciones industriales.
Ensayos y Comprobaciones
- Pruebas de aislamiento: Aseguran la integridad del material aislante.
- Pruebas de carga: Verifican el rendimiento bajo condiciones reales.
Importancia y Aplicaciones
Los transformadores son esenciales en sistemas eléctricos para ajustar los niveles de voltaje, permitiendo una transmisión eficiente de energía en largas distancias y adaptándola a las necesidades de consumo.