Los fenómenos del magnetismo fueron observados por primera vez por lo griegos en una ciudad de Asía Menor denominada denominada Magnesia Magnesia del Meandro, considerándose al filósofo Tales de Mileto como la primera persona que estudió y documentó dicho fenómeno Tierras raras es un grupo de !" elementos de la tabla periódica que, si bien a principios del siglo ## no tenían demasiada utilidad debido a que eran muy difíciles de separar químicamente, en la actualidad son elementos de alta tecnología, ya que son imprescindibles tanto para la fabricación de tel$fonos móviles como para la construcción de determinadas máquinas el$ctricas controladas de forma electrónica 1. Magnetismo
%e denomina magnetismo a la propiedad que tienen determinados materiales, en estado natural o artificial &forzado mediante la aplicación de alguna t$cnica e#terna', para atraer el hierro Así, dicha propieda propiedad d puede puede ser aprovechada aprovechada para la transform transformació ación n de energía energía el$ctrica el$ctrica en mecánica mecánica,, y viceversa A los elementos que tienen esa propiedad de atracción se les denomina imanes, pudiendo pudiendo clasificarse en permanentes y temporales seg(n su capacidad de mantener el magnetismo )manes permanentes %on aquellos en los que los efectos de imanación se mantienen de forma continuada *ueden estar magnetizados de forma natural o artificial •
+igura ! *olos en imanes permanentes
)manes )manes temporal temporales es %on aquellos aquellos que mantienen mantienen el magnetism magnetismo o solamente solamente mientras mientras se produce un fenómeno físico de magnetización sobre ellos ste es el caso de los electroimanes, que solamente mantienen mantienen el magnetismo si se aplica corriente a un circuito el$ctrico de e#citación •
+igura - )mán temporal
.tra clasificación posible los divide en naturales y artificiales en función de cómo haya sido generada la magnetización )manes naturales %on de origen mineral y poseen de forma natural esa propiedad de atracción *ueden ser cerámicos o de tierras raras Los de tipo cerámico están formados por bases de ó#ido de hierro, de estroncio o de bario Los de tierras raras, de elementos como el neodimio y el samario, son la (ltima generación de materiales magn$ticos %on mucho más potentes que los cerámicos, poseen una elevada remanencia remanencia y son capaces de traba/ar a elevadas temperaturas temperaturas •
Algunos de los los imanes mencionados mencionados son los siguientes0 siguientes0 +igura 1 2iferentes tipos de imanes permanentes cerámicos y de neodimio
2ebido a sus potentes campos magn$ticos, los imanes permanentes de neodimio han permitido crear máquinas rotativas sin devanados devanados el$ctricos, permitiendo así simplificar su interior )mantes artificiales n ellos el campo magn$tico se genera mediante un estímulo e#terno, como puede ser el acercamiento de otro imán o el paso de una corriente el$ctrica pró#ima al metal a magnet magnetiza izar r Así, Así, depend dependien iendo do del del tipo tipo de mater materia ial,l, la magne magnetiz tizaci ación ón puede puede hacers hacerse e de forma forma permanente o temporal t emporal •
Las partes de los imanes que poseen mayor fuerza magn$tica son los denominados polos, que se identifican como norte y sur La línea de unión de ambos polos se denomina línea neutra, ya que es el lugar en el que es menor la magnetización 2e todos son conocidas las propiedades de atracción y repulsión de los imanes, seg(n estas, si se intenta unir dos imanes por los polos del mismo signo, estos se repelen +igura 3 Atracción entre imanes
*or otro lado, si se hace lo mismo por polos de signo contrario, estos se atraen *or tanto, este comportamiento de los elementos magn$ticos es ampliamente utilizado para hacer funcionar máquinas el$ctricas, especialmente especialmente las de tipo rotativo +igura 4 5epulsión entre imanes
La Tierra se comporta como un gran imán, lo cual ha sido aprovechado durante siglos para tareas de orientación orientación *ara ello se utiliza la conocida br(/ula magn$tica, que se orienta con el campo magn$tico terrestre
s importante saber que el norte geográfico no coincide con el norte magn$tico Así, al ángulo comprendido entre ambos se le denomina declinación magn$tica 6asta no hace mucho tiempo, el uso de los imanes permanentes en el campo de las maquinas el$ctricas se reducía a la construcción de motores de ba/a potencia %in embargo, con la introducción en los a7os 89 de elementos magn$ticos como en neodimio, se ha permitido su aplicación en una amplia gama de máquinas de aplicación industrial +igura : Motor el$ctrico de imanes permanentes permanentes
2. Campo magnético
s la región del espacio en la que se perciben las fuerzas magn$ticas de un imán o de un elemento magnetizado n $l se produce un desplazamiento de cargas cuyo sentido se ha establecido por convención, del polo norte al polo sur %e representan de forma gráfica mediante las de nominadas líneas de fuerza o de inducción magn$tica Así, si se pudieran visualizar las líneas de fuerza que se producen cuando dos imanes se acercan entre sí, se observaría algo similar a lo representado en las siguientes figuras ;uando se unen dos polos del mismo signo, las líneas se enfrentan y por tanto se repelen
+igura " Líneas de fuerza en dos imanes en repulsión
*or el contrario, si se unen dos polos del diferente signo, las líneas de fuerza se suman y los imanes se atraen +igura < Líneas de fuerza en dos imanes en atracción
2.1. Flujo magnético
s el n(mero total de líneas de fuerza que forman un campo magn$tico l flu/o magn$tico se representa mediante la letra griega = &fi', cuya unidad es el >eber &?b' 2.2. Inducción magnética
s la cantidad de líneas de fuerza que traspasa una unidad de superficie La inducción magn$tica, tambi$n denominada como densidad de flu/o magn$tico, se representa con la letra @, aunque durante mucho tiempo se ha estado utilizando utilizando la letra griega b &beta' La unidad es el tesla &T' La relación e#istente entre el flu/o y la inducción magn$tica es la siguiente0 =@B% La variable % representa la superficie que atraviesan las líneas de campo %e mide en m- l %istema )nternacional de medida &%)' es ampliamente aceptado por la mayoría de los países ste ha sustit sustituid uido o casi casi por compl completo eto al sistem sistema a cegesi cegesimal mal &;C%'D &;C%'D sin embarg embargo, o, algun algunos os autore autoress y miembros de la comunidad científica siguen usando usando el formato ;C% para t omar medidas en sistemas electromagn$ticos *or tanto, es conveniente saber que el ma#velio &M#' es la unidad del flu/o magn$tico, y el gauss &Cs' la de la inducción magn$tica magn$tica La relación entre las unidades de la misma magnitud para el %istema )nternacional es la siguiente0 ! ?b !9< M# ! T !93 Cs l campo campo magn$ magn$tic tico o puede puede ser medido medido de forma forma direc directa, ta, y sin cone# cone#ión ión física física,, median mediante te un instrumen instrumento to denomina denominado do teslámetro teslámetro l instrumen instrumento to que permite permite conocer conocer el valor valor de inducció inducción n magn$tica en un campo magn$tico se denomina teslámetro 2icho aparato funciona a partir de la
recepción de los valores enviados por una sonda basada en un sensor de efecto 6all n la siguiente figura pueden distinguirse las partes de un teslámetro +igura 8 Teslámetron con sonda de efecto 6all
La calidad de la chapa magn$tica utilizada en las máquinas el$ctricas depende de la información que da el fabricante en función de los valores de la inducción magn$tica Así, con valores altos de inducción, inducción, los resultados en el circuito magn$tico serán me/ores 2e hecho, los materiales empleados empleados en este caso serán más caros y no resultarán válidos válidos para todas las aplicaciones aplicaciones En e/emplo podría ser el de un transformador que utiliza una chapa metálica que traba/a a !,4 T, en este caso el rendimiento de dicho transformador sería mayor que en el caso de traba/ar con una chapa para ! T Aun así, es importante importante recordar que el acabado del del primero sería más más caro que el del del segundo l efecto 6all debe su nombre al físico de origen americano que lo descubrió a finales del siglo #i# ;onsiste en aprovechar el campo el$ctrico que se produce en un conductor por el que circula una corriente el$ctrica que se encuentra ba/o la influencia de un campo magn$tico 3. Electromagnetismo Electromagnetismo
%e denomina electromagnetismo a aquella parte de la electrotecnia que estudia en con/unto los fenómenos el$ctricos y magn$ticos, así como los efectos que entre ellos producen l simple hecho de que un conductor sea recorrido por una corriente el$ctrica, genera un campo magn$tico a su alrededor, siendo este el principio básico para el funcionamiento de las máquinas el$ctricas 3.1. Campo magnético en un conductor
;uando un conductor rectilíneo es atravesado por una corriente el$ctrica, a su alrededor se crea un campo magn$tico cuyas líneas fuerza son circulares y conc$ntricas al conductor Así, si el campo es lo suficientemente intenso y se colocan a su alrededor una o más agu/as imantadas &por e/emplo, una br(/ula', dichas agu/as se orientarían en el sentido del campo magn$tico *ara conocer el sentido de las líneas de fuerza del campo magn$tico producido en este conductor, se puede aplicar la denominada regla de la mano derecha %eg(n dicha regla, el pulgar define el sentido de la corriente el$ctrica, y el cierre de los dedos sobre el conductor muestra el sentido del campo magn$tico +igura !! 5egla de la mano derecha
Así, el campo magn$tico creado alrededor alrededor del conductor es mayor cuanto mayor es la corriente el$ctrica que lo atraviesa Fo obstante, dicho campo se encuentra muy difuminado y no tiene fácil aplicación práctica %in embargo, si la disposición del conductor se realiza formado una espira, los campos magn$ticos generados tienden a concentrarse en el interior de la misma, ampliándose los efectos de las líneas de fuerza .tra forma de averiguar el sentido del campo magn$tico en un conductor rectilíneo se basa en la regla del sacacorchos, donde el avance de este representa el sentido de la corriente, y el giro que realiza al avanzar indica el sentido de las líneas de fuerza +igura !- 5egla del sacacorchos
+igura !1 ;ampo magn$tico en una espira
3.2. Campo magnético en una espira
n una espira es fácil saber el sentido del campo magn$tico utilizando la regla de la mano derecha l sentido de la corriente está marcado por el dedo pulgar, y el del campo magn$tico por el cierre de los dedeos sobre la mano Así la polaridad en ambas caras de la espira es la siguiente0 +igura !3 *olaridad en los lados de una espira
3.3. Campo magnético en una bobina
%i se desea conseguir un campo magn$tico superior, se pueden unir en serie varias de estas espiras y así sumar sus campos parciales sto se consigue realizando con el conductor una bobina o solenoide n este caso, para conocer cuál es el sentido del campo magn$tico, se utiliza tambi$n la regla de la mano derecha, pero con una interpretación diferente a la utilizada anteriormente Ahora el sentido de cierre de los dedos sobre la bobina indica el sentido de la corriente y el del dedo pulgar representa el campo magn$tico +igura !4 ;ampo magn$tico en una bobina
l físico dan$s .ersted fue el primero en evidenciar &en !<-9' la relación que había entre electricidad y magnetismo *robó que el paso de una corriente el$ctrica por un circuito provocaba un campo magn$tico a su alrededor +igura !: 6ans ;hristian .ersted
+igura !" @obina del circuito magn$tico de un rel$ industrial
3.4. Intensidad de campo magnético
sta magnitud indica la fuerza de un campo magn$tico %e representa con el símbolo 6 y tiene como unidad el amperioGvueltaHmetro amperioGvueltaHmetro &AvHm' Así, un campo magn$tico es más intenso cuanto mayor es la corriente que lo recorre &)' y el n(mero de espiras &F' que lo forma *or otro lado, será menor cuanto mayor es la longitud de la bobina &L' 6 &F B )' H L
3.5. Fuera magnetomotri
s la fuerza que permite mantener el campo magn$tico en un circuito electromagn$tico, por e/emplo en el de una bobina La fuerza magnetomotriz se representa por la letra +, aunque en ocasiones puede mostrarse como fmm, y se mide en amperiosGvuelta amperiosGvuelta &Av' Matemáticamente Matemáticamente la fuerza magnetomotriz es directamente proporcional a la corriente &)' que recorre el circuito, siendo la constante de proporcionalidad proporcionalidad el n(mero de espiras &F' que lo forman +FB) Así, se puede afirmar que la intensidad de campo magn$tico &6' es directamente proporcional a la fuerza magnetomotriz &+' e inversamente proporcional a la longitud de la bobina &L' 6 +HL 3.!. Circuito magnético
%i a una bobina se le introduce una barra de hierro en su interior, se comprueba que los efectos del campo campo magn$tic magn$tico o generado generado aumentan aumentan de forma forma conside considerabl rable e sto es fácilmente fácilmente comprobable comprobable acercando la sonda de un teslámetro a un circuito con n(cleo y a otro sin $l Así, resulta evidente que en un circuito magn$tico con un n(cleo de hierro, o cualquier cualquier otro material de los denominados ferromagn$ticos, el campo magn$tico aumenta para el mismo valor de corriente y, no solo eso, sino que las líneas de fuerza pueden ser dirigidas en función de la forma física de dicho n(cleo +igura !< 2os tipos de circuitos magn$ticos elementales elementales
En circuito magn$tico simple es el denominado electroimán, electroimán, que consiste en un n(cleo de hierro y en una bobina que se alimenta con una fuente tensión Así, al establecer sobre ella el paso de corriente, el n(cleo se magnetiza atrayendo los elementos ferromagn$ticos que est$n a su alrededor %in embargo, si se desconecta la fuente de tensión interrumpi$ndose interrumpi$ndose la corriente, los efectos magn$ticos tambi$n desaparecen sta sta propie propiedad dad es utiliz utilizada ada en todo todo tipo tipo de dispos dispositi itivos vos el$ctr el$ctrico icoss indus industri triale aless como como rel$s, rel$s, contactores, timbres, elementos de bloqueo y retención, etc n un circuito con n(cleo magn$tico, para el cálculo de la intensidad de campo &6', L no es la longitud del hilo que forma la bobina, sino que es el perímetro central de su n(cleo l n(cleo al aire de un circuito magn$tico tambi$n genera líneas de fuerza, pero son dispersas y con poca intensidad Fo obstante, cuando el n(cleo es de material ferromagn$tico, el campo magn$tico se potencia y puede ser redireccionado con facilidad Las máquinas que vas a estudiar en las pró#imas unidades disponen de circuitos magn$ticos mucho más comple/os que los estudiados hasta ahora %in embargo, su funcionamiento se basa tambi$n en estos principios básicos +igura !8 *arte del circuito magn$tico de una máquina rotativa
3.". Materiales para circuitos magnéticos
Los materiales utilizados utilizados para los n(cleos de circuitos magn$ticos pueden ser de diferentes tiposD sin embargo, no todos tienen un comportamiento similar ante el campo magn$tico que generan o ante el que están e#puestos %in entrar en detalles matemáticos avanzados, se puede decir que los átomos de los materiales se comportan como peque7os imanes que interact(an entre sí A estos átomos se les denomina spines y tienen una orientación orientación magn$tica propia Así, en función de la orientación y de la magnitud de estos spines, además del comportamiento ante un campo magn$tico e#terno, los materiales se clasifican en0 2iamagn$ticos n este tipo los spines no disponen de campo magn$ticoD sin embargo, si se les aplica un campo magn$tico e#terno, estos se orientan en sentido contrario a las líneas de fuerza del campo inductor *or tanto, se dice que los materiales de este tipo no interaccionan con otros materiales magn$ticos Algunos materiales diamagn$ticos son el oro, el silicio, el hidrógeno, hidrógeno, el helio, el cobre, el germanio, el bronce, el grafito, etc •
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*aramagn$ticos n este tipo los spines sí disponen de su propio campo magn$tico Así, cuando se les aplica un campo e#terno, algunos de ellos tienden a orientarse ligeramente en el sentido de las líneas de fuerza del campo principal Algunos materiales paramagn$ticos son el aire, el titanio, el aluminio, etc +erromagn$ticos %on aquellos en los cuales los átomos se alinean por completo con las líneas de fuerza del campo e#terno s el tipo de material utilizado para la fabricación de circui circuitos tos magn$t magn$tico icoss en máqui máquinas nas el$ctr el$ctrica icas, s, ya que para para valore valoress de corri corrien ente te no muy elev elevad ados os,, aume aument nta a cons consid ider erab able leme ment nte e la magn magnet etiz izac ació ión n l hier hierro ro es el mate materi rial al ferromagn$tico ferromagn$tico por e#celencia, no obstante, para la obtención de los me/ores resultados en la conducción del campo, suele alearse con cobalto, níquel yHo silicio
Fo todos los materiales son adecuados para la construcción de n(cleos en circuitos magn$ticos n función de la aplicación, deben utilizarse unos u otros, siendo los denominados ferromagn$ticos los más adecuados para la fabricación de máquinas el$ctricas +igura -! .rientación de los átomos de un material ferromagn$tico %in magnetización e#terna
.rientación de los átomos de un material ferromagn$tico ;on magnetización e#terna
n cualquier caso, para el estudio de máquinas el$ctricas, el material que no es ferromagn$tico se considera amagn$tico, amagn$tico, es decir, un material que no tiene ning(n comportamiento especial especial cuando se encuentra sometido a líneas de fuerza magn$ticas Los materiales para la constitución de n(cleos en circuitos magn$ticos se consiguen con aleaciones que facilitan la orientación aquí nombrada, como la denominada denominada chapa de grano orientado La chapa de grano orientado es ideal para la construcción de transformadores, ya que aumenta el rendimiento y evita p$rdidas por e#ceso de calor n la fabricación de esta chapa se cuida la orientación de sus cristales de forma que favorezcan la dispersión de los campos magn$ticos por su interior 3.#. $eluctancia magnética
Tradicionalmente, a la reluctancia magn$tica se la compara con la resistencia el$ctrica, ya que es la característica que tienen los materiales ferromagn$ticos de oponer mayor o menor resistencia a la formación de líneas de fuerza de un campo magn$tico %eg(n la ley denominada de 6opIinson, se establece una e#presión similar a la ley de .hm en la que que el flu/ flu/o o magn magn$t $tic ico o &=' &=' es dire direct ctam amen ente te prop propor orci cion onal al a la fuer fuerza za magn magnet etom omot otri rizz &+' &+' e inversame inversamente nte propor proporcion cional al a la reluctanc reluctancia ia & Ʀ' =+HƦ *or tanto definimos la reluctancia como0 Ʀ + H= Las unidades de medida se dan en AmperiosGJueltaH?eber AmperiosGJueltaH?eber &AvH?b' 3.%. Cur&a de magnetiación de un material
%i a un circuito magn$tico, como el mostrado en la figura, se le conecta una fuente de tensión a trav$s de una resistencia variable o reóstato, de tal forma que se pueda regular la intensidad de corriente que circula por $l, la intensidad de campo 6 variará en función de dicha corriente +igura -- ;ircuito para determinar la curva de magnetización de un n(cleo
%i al n(cleo se le acerca un teslámetro, para así poder medir la inducción magn$tica @ generada en $l, $l, se obse observ rvar ará á que, que, inic inicia ialm lmen ente te,, con con muy muy poca poca vari variac ació ión n de 6, la indu inducc cció ión n aume aument nta a considerablemente considerablemente hasta llegar a un valor en el que por mucho que aumente el valor de la intensidad de campo 6, la inducción se mantiene prácticamente estable A esta zona se la denomina de saturación, ya que el campo @ no aumenta, a pesar de 6 lo haga de forma considerable
l circ circui uito to prop propue uest sto o se pued puede e real realiz izar ar de form forma a e#pe e#peri rime ment ntal al,, siem siempr pre e que que el mate materi rial al ferromagn$tico no haya sido magnetizado ninguna vez, ya que de lo contrario estarán siempre presentes los efectos del magnetismo remanente y esto provocará errores en la toma de valores ;omo se verá en las páginas siguientes, para eliminar el magnetismo remanente es necesario aplicar un campo denominado coercitivo, con la misma intensidad del campo aplicado, pero de signo contrario %e debe tener en cuenta que los teslámetros, tanto lo de tipo analógico como los de tipo digital, proporcionan valores positivos y negativos sto significa que el campo generado es de diferente polaridad, polaridad, es decir, que pertenece al polo norte o al polo sur del circuito magn$tico Ena representación de lo anterior es la siguiente0 +igura -1 ;urvas de magnetización
n la figura anterior se observan las curvas de dos tipos de materiales &chapa de grano orientado y chapa de grano no orientado' y, además, se compara con la del aire, que en lugar de ser una curva es una una líne línea a rect recta a cuy cuya magn magnet etiz izac ació ión n es pequ peque7 e7a a resp respec ecto to a la de los los dos dos mate materi rial ales es ferromagn$ticos n las dos primeros curvas se observa cómo la chapa de grano orientado tiene me/or magnetización para el mismo paso de corriente La curva de magnetización es, como su nombre indica, una curva en la que se muestra cómo se comporta un material cuando es sometido a los efectos de un campo magn$tico 5epresenta la evolución de la inducción magn$tica en función de la intensidad de campo +igura -3 ;hapa magn$tica utilizada para la construcción de transformadores transformadores
3.1'. (ermeabilidad magnética
s la capacidad que tienen los materiales de magnetizarse magnetizarse o facilitar el paso de las líneas de fuerza a trav$s de ellos n cierto modo, se puede decir que la permeabilidad magn$tica es la magnitud contraria o inversa de la reluctancia 2e este modo se puede afirmar que unos materiales son más permeables que otros a los campos magn$ticos sta magnitud se representa por la letra griega K &Mu' y tiene como unidad el henrioHmetro &6Hm' Matemáticamente es la relación que e#iste entre la inducción @ y la intensidad de campo magn$tico 6, denominándose en este caso permeabilidad absoluta K @H6 La permeabilidad no es una magnitud constante, ya que depende en gran medida del campo magn$tico aplicado aplicado Así, si su curva se representa en la misma gráfica que la de la magnetización, ya que la permeabilidad depende tambi$n de los valores de @ y 6, se observa cómo es mayor en la primera zona de la magnetización y disminuye radicalmente una vez que se ha superado el punto de saturación %e deno denomi mina na perm permea eabi bililida dad d rela relatitiva va &Kr' &Kr' a la rela relaci ción ón entr entre e la perm permea eabi bililida dad d abso absolu luta ta y la permeabilidad permeabilidad en vacío o constante magn$tica &K9' Kr K9HK +igura !-: ;urva de permeabilidad comparada con la de imanación
3.11. )istéresis magnética
;uando un material ferromagn$tico ferromagn$tico es sometido a los efectos de un campo magn$tico e#terno, como puede ser el inducido por una bobina, este presenta una magnetización que se mantiene mientras duran dichos efectos %in embargo, cuando el campo cesa, los materiales presentan a(n, en mayor o menor menor medid medida, a, indic indicios ios de imanac imanació ión n A este este fenóme fenómeno no se le denom denomina ina remane remanenci ncia a y es la capacidad que tienen los materiales ferromagn$ticos de mantener los efectos de magnetización una vez ha finalizado la acción que los ha generado La remane remanenci ncia a es favor favorabl able e para para la creaci creación ón de imanes imanes perman permanent entes, es, sin embarg embargo, o, para para la fabr fabric icac ació ión n de elec electro troim iman anes es y n(cl n(cleo eoss de máqu máquin inas as el$c el$ctri trica cass pued puede e ser ser muy muy per/ per/ud udic icia iall produciendo p$rdidas de energía por e#ceso de calor *or este motivo es de gran importancia la selección adecuada del material en función de la aplicación en la que se va a utilizar %i bien una alta remanencia es un dato adecuado para los imanes permanentes, no lo es tanto para la construcción de máquinas el$ctricas, ya que requieren que los efectos de imanación desaparezcan desaparezcan cuanto antes una vez haya cesado la causa que los generó l estudio de la remanencia se realiza mediante el análisis de lo que ese denomina hist$resis magn$tica ste proceso consiste en conocer y representar gráficamente, mediante el denominado
ciclo de hist$resis, el comportamiento de un material ferromagn$tico que se encuentra sometido a la acción de un campo magn$tico en el que se van modificando progresivamente los valores de @ y 6 +igura -" ;iclo de hist$resis
%e debe disponer de un material que no haya sido sometido anteriormente a los efectos de un campo magn$tico para que sea nula su magnetización inicial A continuación se e#plica en qu$ consiste el efecto de hist$resis magn$tica en base al gráfico de la figura anterior ! *artiendo desde el punto 9, los valores para @ y 6 van aumentando progresivamente progresivamente Así, si se van adquiriendo pares de valores valores para estas dos magnitudes, se observa cómo la curva de imanación progresa de la forma representada en la figura como &!' - Ena vez que se ha alcanzado el punto de saturación M, se disminuyen progresivamente los valores para @ y 6 con la misma pauta utilizada para la curva &!' n este caso se observa que cuando 6 es nuevamente 9, el campo @ no lo es, presentándose en este caso un valor @5 debido al correspondiente magnetismo remanente n este caso no e#iste e#citación y, sin embargo, se mantienen los efectos de magnetización en el material sometido al ensayo 1 Así, si se continua asignado valores negativos a la intensidad de campo 6, el campo es nulo cuando se llega al punto 6c ste valor es el correspondiente al denominado campo coercitivo &que es de sentido contrario o negativo' y es el que se debe dar a 6 para conseguir que desaparezca por completo la remanencia del material 3 %i se continua asignado asignado valores negativos para @ y 6, se llega hasta el punto de saturación m que es de signo contrario al alcanzado en la primera parte del ciclo &M' 4 A partir de este punto, se disminuye la asignación de valores para @ y 6, observándose que cuando la intensidad de campo 6 vuelve a tener valor cero, el campo @ mantiene el valor @5, que es el magnetismo remanente de polaridad contraria al observado en el tramo 1 de la curva
: Así, si se siguen asignado valores, positivos para 6 y negativos para @, se alcanza el punto 6c correspondiente al campo coercitivo &en sentido contrario' que se debe asignar para que el material pierda la remanencia Los materiales ferromagn$ticos pueden clasificarse como blandos o duros en función de si pierde o no su remanencia con facilidad Así, el material para fabricar un imán permanente debe ser de tipo duro, con un campo coercitivo grande para evitar que se sea desmagnetizado con facilidad %in embargo, los materiales para la construcción de n(cleos en máquinas rotativas o transformadores deben ser de tipo blando, ya que su remanencia debe ser la menor posible +igura -< ;iclo de hist$resis para un material magn$ticamente magn$ticamente duro
n los materiales ferromagn$ticos, y por tanto tambi$n en las máquinas el$ctricas, deben tenerse en cuenta las p$rdidas por hist$resis que se manifiestan en forma de calor, y que son mayores cuanto más grande es el área que abarca la curva del ciclo de hist$resis 2e esta forma, se deduce que las máquinas el$ctricas que generan campos muy variables &como son las de corriente alterna', deben estar construidas con materiales blandos cuyo ciclo de hist$resis sea lo más estrecho posible +igura -8 ;iclo de hist$resis para un material magn$ticamente blando
3.12. Corrientes par*sitas o de Foucault
n un n(cleo ferromagn$tico que se encuentra sometido a la acción de un campo el$ctrico se producen una serie de corrientes inducidas que circulan en forma de bucle o torbellino en el interior del n(cleo stas corrientes generan campos magn$ticos que se oponen al campo e#terior y provocan que los electrones choquen de forma continuada contra las cargas el$ctricas de material ferromagn$tico generando calor y, por consiguiente, las correspondientes p$rdidas de energía +igura 19 ;orrientes parásitas de valor elevado en un n(cleo macizo
Las corrientes de +oucault deben su nombre al científico franc$s que las descubrió en !<4! Fo obstante, tambi$n se las conoce como corrientes parásitas o corrientes torbellino torbellino +igura 1! 2etalle de n(cleo de chapas magn$ticas
%i en las máquinas el$ctricas se utilizaran n(cleos de hierro macizo, las corrientes parásitas serían tan elevadas que el calor producido generaría p$rdidas enormes *or este motivo, las máquinas, especialmente las de corriente alterna, se construyen con finas chapas de hierro al silicio aisladas entre sí que disminuyen de forma considerable las corrientes de +oucault +igura 1- ;orrientes parásitas de peque7o valor en chapas magn$ticas
n las máquinas el$ctricas las corrientes de +oucault son un efecto no deseado que hay que intentar minimizar para evitar una e#cesiva p$rdida de energía por calor %in embargo, en algunas ocasiones, como como es el caso caso de las cocin cocinas as vitro vitrocer cerámi ámicas cas de inducc inducció ión, n, este este fenóme fenómeno no es aprove aprovecha chado do precisamente para todo lo contrario, generar el suficiente calor para ser capaz de cocinar los alimentos 3.13. Fuera ejercida sobre un conductor por el +ue circula una corriente
%i un conductor por el que circula una corriente el$ctrica es sometido a un campo magn$tico, este conductor tiende a salir de dicho campo en el sentido dado por la regla de la mano izquierda de los tres dedos 2icha regla se aplica de la siguiente manera0 con el dedo índice se indica el sentido del campo, con el dedo pulgar el sentido de la fuerza o movimiento e/ercicio en el conductor y con el dedo medio el sentido de la corriente el$ctrica A la regla de los tres dedos de la mano izquierda tambi$n se la llama regla de +leming en homena/e al científico que ideó su utilización +igura 11 5egla de la mano izquierda o regla de +leming
Ejemplo
%i al conductor de la figura se le aplica una corriente el$ctrica en el sentido indicado &flecha verde' y se conoce el sentido del campo magn$tico &flecha violeta', se observa, utilizando utilizando la regla de la mano izquierda, izquierda, que el movimiento del conductor es hacia arriba &flecha azul' +igura 13 /emplo de aplicación de la regla de la mano izquierda
Tambi$n se puede representar de forma esquemática y simplificada marcado sobre el papel el sentido del campo Así, una &' se indica que el campo es entrante y un punto &B' que es saliente +igura 14 5epresentación del sentido del campo
La fuerza + obtenida en el conductor es el producto de tres factores0 la corriente que circula por el conductor, la longitud del mismo y el valor de la inducción del campo magn$tico +)BlB@ %i el conductor no corta las líneas de fuerza perpendicularmente, perpendicularmente, debe ser tenido en cuenta el ángulo de inclinación &a', por tanto, la fuerza quedaría0
+ ) B l B sen N s importante no confundir + con la fuerza magnetomotriz estudiada anteriormente anteriormente Ejemplo
%i se desea representar de forma esquemática cómo act(a un campo magn$tico sobre un conductor que es recorrido por una corriente el$ctrica, habrá que tener en cuenta algunos datos n este e/emplo el campo es entrante, es decir, que apunta en dirección al papel en el que está representado, ya que se indica mediante &' l sentido de corriente del conductor es de izquierda a derecha *or tanto, si se aplica la regla de la mano izquierda, se comprueba que el movimiento + del conductor es hacia arriba +igura 1: 5epresentación simplificada simplificada de la aplicación aplicación de la regla de la mano izquierda
3.14. Fuera ejercida sobre una espira por la +ue circula una corriente
%i en lugar del conductor rectilíneo visto anteriormente, se introduce una espira &o bobina', tambi$n llamada cuadro móvil, en el interior del campo magn$tico, cuando por ella circula una corriente, se produce un par de fuerzas, una en cada uno de sus lados activos, que tiende a mover la espira para sacarla del campo Así, si se aplica la regla de la mano mano izquierda izquierda en ambos lados lados activos de la espira, espira, se comprueba que las dos fuerzas tienen sentido opuesto 2e tal forma, que si a la espira se le coloca un e/e central, la acción de dichas fuerzas provoca que esta gire sobre $l *ara que el sentido de la corriente se mantenga al producirse esta rotación, es necesario disponer de un sistema de conmutación, llamado colector, conectado a los bornes de la espira o bobina 2e esta forma, aunque se produzca el giro, la polaridad de la alimentación siempre se mantiene, y con ella el sentido de la corriente en ambos lados de la espira *ara la cone#ión de los devanados del rotor se utiliza un sistema de colector o de anillos, sobre el que se apoyan unas escobillas para hacer la cone#ión el$ctrica aunque la máquina gire a gran velocidad +igura 1" 2etalle del colector de delgas para alimentar el inducido de una máquina de corriente continua
+igura 1< *ar de fuerzas de una bobina sometida a un campo magn$tico
+igura 18 2etalle de la espira
+igura 39 Ongulo espira campo
l efecto aquí descrito es el principio de funcionamiento de los motores el$ctricos .bservando algunas de las partes de la espira se obtiene lo siguiente0 ! n los dos lados de la espira que están en línea con el campo &por el que se aplica la alimentación y por el que une las dos caras activas', se produce un par de fuerzas que son de igual magnitud y de sentido contrario, por lo que el efecto es nulo sobre el funcionamiento del con/unto - l valor del par de fuerzas + puede calcularse por la e#presión0 +)BmB@ 2onde ) es la corriente que circula por el conductor m es la longitud de uno de los lados activos de la espira @ la inducción del campo • • •
1 l momento de fuerzas o par se puede calcular mediante la siguiente e#presión0 e#presión0 M ) B % B @ B sen N 2onde M es el momento de fuerzas medido en Fm ) es la corriente en amperios, % es la superficie de la espira en m@ el campo N el ángulo que forma el plano perpendicular del circuito de la bobina con las líneas del campo magn$tico • • • • •
3.15. Fuera electromotri inducida en un conductor
+araday comprobó que si un conductor el$ctrico se mueve en el seno de un campo magn$tico, en ambos e#tremos del conductor se acumulan cargas el$ctricas de diferente signo, produciendo así una fuerza electromotriz que genera a su vez una diferencia de potencial obtenida en voltios A esta fuerza se la denomina electromotriz inducida & o fem' y es directamente proporcional proporcional al campo @, a la longitud de conductor l y la velocidad v a la que se desplaza @B)Bv *ara comprobar cómo se mueven las cargas y, por tanto, cómo queda polarizado el conductor, se utiliza la regla de la mano derecha Así, con el dedo pulgar se indica el sentido del movimiento o velocidad del conductor, con el dedo índice el sentido del campo y con el dedo corazón el sentido de la corriente, que es lo mismo que decir, el sentido de la fuerza electromotriz +igura 3! 5egla de la mano derecha
+igura 3- %entido de la fuerza electromotriz en un conductor
Ejemplo
2e igual forma, si es el campo el que se mueve y el conductor el$ctrico el que se mantiene fi/o, se generará fuerza electromotriz mientras e#ista movimiento Así, en el e/emplo de la figura, se muestra cómo al introducir un imán en una bobina estática por ella circula una corriente el$ctrica 2e igual forma, si el imán sale, se genera dicha corriente, pero en este caso de sentido contrario a la anterior %i el imán de/a de moverse, incluso en el interior de la bobina, no se produce ninguna corriente corriente +igura 31 Ceneración de fem con un campo móvil
2e igual forma, si se hace girar una espira en el interior de un campo magn$tico fi/o, cada vez que una de sus caras activas corta las líneas de fuerza, se genera en ella una fuerza electromotriz +igura 33 spira en movimiento en un campo magn$tico
n este caso el valor de es directame directamente nte proporcion proporcional al al valor valor del campo @, a la superfici superficie e de la espira %, a la velocidad angular a la que gira P y al seno del ángulo que forma en cada momento con las líneas magn$ticas @ B % BP B sen N l sentido de la fuerza electromotriz en cada uno de los haces activos de la bobina se obtiene aplicando sobre ellos la regla de la mano derecha de la misma forma que se ha e#plicado para el conductor rectilíneo %i en lugar de una espira lo que se mueve en el seno del campo magn$tico es una bobina, la fuerza electromotriz resultante resultante es la suma de todas las fuerzas electromotrices parciales de cada de espiras &F' que la forman Así, la e#presión es0 bobina @ B % BP B F B sen N Ejemplo
La figura muestra cómo una espira corta las líneas de fuerza para diferentes valores del ángulo a n el caso A, como el ángulo es de 89Q, el valor del seno será !, por lo que el valor de la fuerza electromotriz generada es el má#imo n el caso @, el ángulo es de 34Q, por lo que el seno será menor que !, por tanto, es de menor valor que en el caso A R, por (ltimo, si el ángulo es 9Q, el valor de seno será nulo, lo que significa que el valor de la fuerza electromotriz tambi$n será nulo +igura 34 2iferentes posiciones de una espira en el seno de un campo magn$tico
;uando el conductor se mueve en el campo magn$tico, la acción del flu/o varía sobre $l Así, se puede afirmar que siempre que hay una variación de flu/o, se produce una fuerza electromotriz en el conductor Teniendo en cuenta este efecto, se observa que no es necesario mover el conductor o el campo para obtener una corriente el$ctrica %implemente variando el flu/o y manteniendo estáticos todos los elementos que intervienen, se consiguen los mismos efectos Ejemplo
n el caso del circuito de la figura, la variación del campo se realiza por medios el$ctricos, como puede ser la cone#ión de una resistencia variable de potencia o reóstato en serie con la bobina del electroimán que lo genera +igura 3: %entido de la corriente inducida en función de la variación de flu/o
2e este modo, si se act(a sobre el reóstato, tambi$n se modifica la corriente de la bobina de e#citación Así, el flu/o aumenta o disminuye en consecuencia, induciendo una fuerza electromotriz en la bobina y, por tanto, un paso de corriente el$ctrica por sus espiras, cuyo sentido está en función del aumento o disminución del flu/o 3.1!. ,utoinducción
;uando una bobina es recorrida por una corriente el$ctrica, en cada una de sus espiras aparece un campo magn$tico que afecta a las espiras contiguas, generando así una corriente el$ctrica inducida %i la corriente que circula por el conductor es variable, el flu/o tambi$n varía y, por tanto, se produce una fuerza electromotriz denominada autoinducida que, seg(n la ley de Lenz, se opone a la causa que la produce sto significa que si la corriente es de tipo continuo, no e#iste variación de flu/o y, por tanto, no se presentan los efectos de autoinducción A la capacidad que tiene la bobina de generar la fuerza electromotriz inducida, se le denomina coeficiente de autoinducción, que se representa con la letra L, se mide en henrios &6r' y se puede calcular por la e#presión0 L &F B='H) 2onde F es el n(mero de espiras de la bobina = es el flu/o e ) es la corriente el$ctrica • •
El tren de le&itación magnética
l uso uso de iman imanes es y elec electro troim iman anes es está está pres presen ente te en nume numero rosa sass apli aplica caci cion ones es dom$ dom$sti stica cass e industriales 2esde un simple timbre o zumbador de llamada, hasta los precisos robots que se utilizan en los sistemas automatizados de producción %in embargo, e#isten aplicaciones que tienen cierto grado de espectacularidad por lo que representan t$cnica y socialmente, un e/emplo es el denominado denominado Maglev o tren de levitación magn$tica l tren de levitación magn$tica es un medio de transporte e#perimental, aunque e#isten modelos dando servicio al p(blico %u funcionamiento se basa en el uso de potentes campos magn$ticos para desplazar un habitáculo a gran velocidad y sin rozamiento sobre un sistema de raíles Etiliza, por tanto, los fenómenos magn$ticos de atracción y repulsión, tanto para hacer que el tren levite o flote como para su propulsión l sistema utiliza dos circuitos de electroimanes, basados en superconductores, controlados por un comple/o sistema informático informático Eno para hacer levitar el tren y que no e#ista rozamiento con las guías o raíles, y otro para propulsar el tren en uno u otro sentido +igura Tren de levitación magn$tica
%i bien el sistema dispone de numerosas venta/as, como su alta velocidad de desplazamiento &499 SmHh', no está e#ento de inconvenientes inconvenientes que impiden un desarrollo comercial comercial más rápido0 La generación de los potentes campos magn$ticos consume elevadas elevadas cantidades de energía levado coste de la infraestructura de guiado 2e momen momento to solame solamente nte se puede puede utilizar utilizar en trenes trenes de pasa/e pasa/eros ros peque peque7o 7os, s, ya que está muy limitada la carga que puede desplazar +igura Maglev