UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPTO. DE INGENIERIA ELECTRICA AREA CIENCIAS BASICAS

APUNTES DE CLASES DE ELECTROTECNIA Y DISPOSITIVOS PARA INGENIEROS MECANICOS

UNIDAD TEMATICA TRES: PRINCIPIOS DE ELECTROMAGNETISMO Y CONVERSION ELECTROMECANICA DE ENERGIA

PARTE I VERSION 2

PROFESOR ROBERTO RUBILAR FIGUEROA INGENIERO DE EJECUCION ELECTRICISTA

INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL

PRIMER SEMESTRE DE 2012

PRESENTACION

El presente apuntes de clases es una síntesis y recopilación de material didáctico generado en algunos tópicos por el profesor y extraído en otros temas de varios libros de lngeniería Eléctrica para estudiantes de ingeniería de otras especialidades impartidas por la Facultad de Ingeniería. Dada la tendencia actual de que mucha de esta bibliografía se ha publicado en Internet, se ha utilizado como referencias y de fuente de información varios sitios web que se indican en cada caso con información técnica y didáctica especializada que se presenta para el uso de los estudiantes, previa revisión y complementación del profesor a cargo de impartir la asignatura. La selección del material didáctico presentado en esta oportunidad se basa principalmente en el Programa de Estudios de la Asignatura Electrotecnia y Dispositivos. No obstante lo anterior, algunos temas son incorporados de acuerdo a la amplia experiencia docente, profesional y empresarial del profesor y de acuerdo a las necesidades de conocimientos tecnológicos requeridos por los futuros profesionales de especialidades distintas a la Ingeniería Eléctrica. El diseño de Programas de Estudios y desarrollo de apuntes y textos de apoyo para los estudiantes y futuros profesionales de especialidades no eléctrica es una tendencia acertada que se observa en las últimas décadas que reconoce la necesidad de adaptar el proceso de enseñanza-aprendizaje a la mentalidad, pragmatismo y necesidades de conocimientos generales y específicos de los alumnos, sobre técnicas y tecnologías de aplicación, operación y mantención de Circuitos, Dispositivos y Sistemas Eléctricos de uso habitual en empresas productivas y de servicios.

INTRODUCCION

Si bien es cierto que existen avances tecnológicos importantes en la generación de energía eléctrica

no convencional, como es el caso de la energía fotovoltaica lograda a partir de la energía solar o la

acumulación de energía en baterías de litio utilizadas en automóviles eléctricos, se observa en la

actualidad que prácticamente toda la potencia eléctrica es generada por dispositivos que utilizan

campos magnéticos. También se observa que la mayor parte de la energía eléctrica se consume por

dispositivos que emplean campos magnéticos para la conversión de la energía eléctrica en

mecánica. Este predominio de los dispositivos electromagnéticos y mecánicos se debe a las altas

densidades de energía que se pueden obtener por los materiales magnéticos comúnmente

utilizados, lo que da como resultado una alta capacidad de potencia por unidad de volumen de las

máquinas generadoras de energía y motores industriales utilizados en procesos productivos, tal

como ocurre en nuestro país que tiene centrales con unidades generadoras de más de 100.000

Kwatts y motores instalados en molinos de mineral de cobre de hasta 14.000 HP de potencia

(10.300 Kwatts).

Para entender cabalmente este fenómeno de conversión de energía, se necesita un entendimiento

cualitativo y cuantitativo de los campos magnéticos y de los circuitos magnéticos que se emplean

para el funcionamiento de los dispositivos de conversión electromecánica de la energía.

1. PRINCIPIOS DE MAGNETISMO

1.1 ¿Qué son los imanes?

Son cuerpos que tienen la propiedad de atraer el hierro y algunos

otros metales (níquel, cobalto). A esta propiedad de atracción se le

denomina “MAGNETISMO”.

Polaridad magnética Los extremos de un imán se designan con el nombre

de “polos”. A uno se le denomina “polo sur” y al

otro, “Polo norte”.

¿Qué es el campo magnético? Es la zona o espacio en que se deja sentir la atracción

del imán.

¿Qué son las líneas de fuerza? Son líneas imaginarias que permiten ilustrar la forma como

se ejerce la fuerza de un imán. Estas líneas se consideran

entrando por el polo sur y saliendo por el polo norte.

Si sobre un vidrio colocado encima de un imán se esparcen

limaduras de fierro, éstas se ordenan siguiendo líneas

circulares que van de un polo a otro.

Línea de fuerza unidad Si dos polos pequeños (de distintos imanes) colocados a 1 cm de distancia uno del otro

se repelen o se atraen con la fuerza de una Dina, se dice que se ejerce el efecto de una

línea de fuerza unidad.

¿Qué es el flujo magnético? Es la cantidad total de líneas de fuerza que posee un imán, o que hay

en un campo magnético determinado. El flujo magnético se designa

simbólicamente con la letra griega φ (phi).

¿A qué se denomina densidad de campo o densidad magnética? Al número de líneas de fuerza que pasan a través de

una sección de 1 cm2

considerada perpendicular al

sentido de las líneas de fuerza.

La densidad de campo (denominada por algunos textos intensidad de campo) se designa

simbólicamente por la letra “H”. Donde H= Líneas de fuerza/ cm2

Cuando se conoce el flujo y la sección S en cm2 se puede determinar H= Φ/S

¿A qué se denomina inducción magnética? A la propiedad del imán de inducir a lo que está en torno

de él a que se magnetice. Así tenemos por ejemplo que

el espacio en torno de un imán se vuelve magnético.

Inducción magnética del acero Si se acerca un imán a un trozo de acero, éste último se

magnetiza y puede atraer pedazos de fierro. Al alejar el

imán, el trozo de acero conserva imantación.

En cambio, si el imán se acerca a un trozo de hierro

dulce, éste no conserva imantación, después de alejar el

imán.

¿Qué es la permeabilidad magnética? Es la propiedad que tienen ciertos cuerpos (aleaciones de fierro, etc.) de ser más

conductores que el aire al paso de las líneas de fuerza. Así por ejemplo, se dice que el

acero es más conductor o permeable al paso del flujo magnético que el aire.

En este caso tenemos que la inducción magnética B (densidad del hierro o acero) es

mayor que la densidad del aire.

B es mayor que H

B= líneas de fuerza / cm2 en el acero

H= líneas de fuerza / cm2 en el aire

Coeficiente de permeabilidad Es el número de veces que la densidad de flujo en el acero (inducción B) es mayor que

la densidad H (líneas de fuerza por cm2 en el aire).

Nota: En el acero y en el hierro, es siempre mayor que 1.

1.2 Acción entre imanes

Atracción Al ubicar el polo norte de un imán frente al polo sur del

otro imán, éstos se atraen. En este caso los flujos se

enlazan y las líneas de fuerza tratan de acortar su

recorrido. “Polos de distinto nombre se atraen”

Repulsión Al ubicar un polo norte frente al polo norte de otro imán, éstos se repelen. Igual sucede

con los polos sur. “Polos del mismo nombre se repelen”

Los flujos no se pueden enlazar, al contrario, se interfieren.

Polaridad magnética de la tierra La tierra puede ser considerada, del punto de vista del

magnetismo, como un imán. En las proximidades del polo

norte geográfico se encuentra el polo sur magnético. Cerca

del polo sur geográfico, está el polo norte magnético.

El polo norte de la aguja imantada se orienta hacia el polo

norte geográfico de la tierra.

¿Qué son los imanes naturales? Son minerales (óxido de fierro, magnetita) que poseen magnetismo

¿Qué son los imanes artificiales? Son barras de acero templado que adquieren magnetismo en

contacto con otros imanes o bajo la influencia de campos

magnéticos creados por bobinas eléctricas.

2. ELECTROMAGNETISMO

Experiencias sobre campo magnético Cuando circula corriente eléctrica a través del conductor, la

aguja imantada es atraída en forma

perpendicular a éste.

La circulación de corriente a través del

conductor origina en torno a éste un campo magnético, este campo

tiene las mismas propiedades que las de un imán, pero sus líneas de

fuerzas giran circularmente sobre el plano perpendicular del

conductor.

El sentido de las líneas de fuerzas pueden ser determinado

convencionalmente por la regla de la mano derecha o la del saca

corcho.

Regla de la mano derecha Se toma el conductor con la mano derecha apuntando el pulgar en

dirección del avance de la corriente, los demás dedos indicarán el

sentido de giro de las líneas de fuerzas.

Regla del sacacorchos Se coloca el sacacorchos en el mismo sentido de la

entrada de corriente en el conductor. El sentido de

giro del sacacorchos al avance de éste, indicará el

sentido de giro de las líneas de fuerzas.

Al curvar el conductor en un semi-círculo, se verifica

que las líneas de fuerzas se concentran en el interior de él.

2.1 Campo magnético

Al continuar la curva formando un círculo de una espira, se puede observar que todas

las líneas de fuerzas tienen sólo un sentido (el indicado por la flecha).

Al girar la espira (posición horizontal) se puede constatar que las líneas de fuerzas en el

interior de la espira entran por la parte superior a la inferior según lo indicado por la

flecha.

Si el conductor tiene varias espiras se obtiene entonces un solenoide llamado

comúnmente bobina.

Si la bobina es suficientemente larga, el campo magnético en su

interior es rectilíneo y uniforme.

¿Cómo es posible determinar convencionalmente la polaridad

magnética en una bobina?

Regla de la mano derecha Tomar la bobina de tal forma que los dedos señalen la dirección de la corriente y el

pulgar señalará el polo norte de la bobina.

Regla del sacacorchos - Se sigue el sentido de la corriente girando el sacacorchos en el sentido de

avance.

- El sentido de giro de éste, indica el sentido de giro de las líneas de fuerzas.

- La entrada de las líneas de fuerzas, indica la polaridad sur.

- Las salidas de las líneas de fuerzas indican la polaridad norte.

3. FERROMAGNETISMO

3.1 Inducción y permeabilidad magnética

Experiencias Dos bobinas del mismo largo y del mismo número de espiras

son recorridas por una misma intensidad de corriente.

1) La bobina sin núcleo no atrae al hierro (la fuerza de

atracción no es suficiente).

2) La bobina con núcleo atrae al hierro (la fuerza

de atracción es suficiente).

¿POR QUÉ?

En la bobina sin núcleo en corte longitudinal se puede apreciar

que el flujo electromagnético se concentra en el medio de la

bobina (línea de eje A-B) y que en sus extremos el flujo es mínimo; por lo tanto, la

fuerza de atracción es pequeña.

En la bobina con núcleo en corte longitudinal, se

puede apreciar que el flujo electromagnético se

concentra en los extremos, lo que hace aumentar el

valor de la inducción magnética y la fuerza de

atracción.

Conclusiones - El hierro modifica totalmente el valor de la intensidad del flujo, concentrándolo

en sus extremos.

- El flujo pasa con mayor facilidad a través del hierro que a través del aire.

- Se dice entonces que el hierro es más permeables que el aire.

- Esto se llama corrientemente permeabilidad magnética.

- El coeficiente de permeabilidad magnética depende directamente de la

naturaleza del material introducido en la bobina.

4. ELECTROIMANES

4.1 Efectos de la corriente C.C. y – C.A. sobre un imán permanente

Alimentados con C.C. Si se alimenta un electroimán con corriente continua, éste se polariza

en sus extremos en forma permanente.

Si se acerca un imán, éste será atraído o rechazado según su polaridad.

Según las figuras, en el primer caso, el imán es atraído y…

Al invertir la entrada de corriente en el electroimán, éste es

rechazado, ya que los extremos del electroimán han cambiado su

polaridad.

Si colocamos una lámina metálica en los extremos del electroimán.

Ésta es atraída en ambos casos con la misma fuerza.

Alimentados con C.A. Al alimentar un electroimán con corriente alterna, el imán vibra.

Si se coloca una lámina metálica, también vibra.

¿Por qué vibra el imán?

Por una atracción y repulsión muy rápida, ya que en un segundo

es 50 veces atraído y 50 veces rechazado en forma intercalada por

los cambios de polaridad del electroimán (50 veces en un

segundo).

¿Y la lámina metálica?

Porque es atraída y soltada 100 veces en un segundo (50 veces por el polo sur y 50

veces por el polo norte intercaladamente).

Conclusión

- La corriente continua es constante

- La corriente alterna es variable

4.2 Aplicaciones

Un electroimán está compuesto de dos elementos

principales: bobina y núcleo. Este puede tener diferentes

formas, siendo su objetivo principal “canalizar” el flujo

magnético de la bobina es un sentido conveniente.

En la figura se puede constatar que las líneas de fuerzas

están canalizadas por el núcleo en forma de “U”.

Polarización El flujo magnético, originado por la corriente eléctrica que

circula por la bobina, crea un campo magnético polarizado

en cada extremo del núcleo.

Está polarización puede ser constante o variable según la corriente que alimenta la

bobina.

El zumbador Al cerrar el circuito, la corriente circula por la bobina originando un campo magnético

que atrae la lámina de acero hacia los núcleos. En este instante, el circuito queda abierto

y no circula corriente hacia las bobinas.

- El flujo queda eliminado

- La lámina vuelve a su posición normal

- El circuito vuelve a cerrarse… y así sucesivamente.

La campanilla La campanilla es un zumbador al que se le ha agregado un pequeño martillo que golpea

sobre una campana o algo similar.

Electroimán de un contactor alimentado en C.C. El circuito magnético está constituido por una bobina

con un gran número de espiras y un núcleo macizo que

no conserva imantación (hierro dulce y/o silicoso) y una

armadura móvil en posición normalmente abierta.

Cada vez que la bobina es alimentada, la armadura es

atraída y el circuito magnético es cerrado.

Electroimán de un contactor alimentado en C.A. En la fig. 2 se tiene un electroimán construido especialmente para trabajar en corriente

alterna.

Partes constitutivas

1) Tope de la armadura móvil.

2) Armadura móvil.

3) Barra móvil de circuito magnético.

4) Resorte de armadura.

5) Bobina de poco número de espiras.

6) Núcleo fijo de hierro laminado.

7) Espira silenciadora.

Nota: Todos los electroimanes de contactores alimentados en C.A. llevan una “espira

silenciadora” para eliminar el ruido producido por la armadura al “vibrar” por efecto de

la variación de la corriente alterna.

Grandes electroimanes acorazados se utilizan en la industria para levantar piezas

magnéticas como rieles, planchas de hierro, virutas, etc.

La construcción de estos electroimanes generalmente es para levantar pesos sobre 1

tonelada, como los que se utilizan para trasladar chatarra en industrias siderúrgicas o

para trasladar cargas metálicas de acero en puertos de embarques.

Los elementos que lo constituyen son: un núcleo de hierro dulce, una bobina alimentada

a corriente continua y una plancha de bronce u otro material antimagnético.

Freno electromagnético de balatas Los dispositivos de comandos de la bobina

y del motor están conectados en paralelo.

Al alimentar el motor, la bobina se

energiza y abre las zapatas del freno.

Al parar el motor, la bobina se desenergiza,

el resorte se estira volviendo a la posición

normal de las zapatas, las cuales

comprimen y frenan la polea del motor.

5. Comportamiento del núcleo

Resistencia magnética (reluctancia) Se tiene un solenoide en un tubo de cartón. Al alimentar el

solenoide, se puede constatar que las líneas de fuerzas se

concentran en el centro de éste.

Al formar un anillo con el mismo tubo de cartón y el solenoide en su interior,

constatamos que las líneas de fuerzas se cierran por el camino más corto que le ofrecen

los extremos de la bobina, debido a que el núcleo tiene las mismas propiedades

magnéticas que el aire que la rodea.

Comprobemos ahora qué sucede en el mismo solenoide al cambiársele el núcleo de

cartón por otro de fierro. En este caso verificamos que las líneas de fuerzas están

concentradas en los extremos del núcleo de fierro.

Si se forma un anillo o algo similar de hierro,

verificamos que las líneas de fuerzas de la bobina

originan una imantación en él, la cual se transmite

a todo el núcleo, de tal modo que la mayor parte

del flujo se cierra dentro del hierro.

Conclusión Al comparar los dos anillos, comprobamos que:

- El flujo elige siempre el camino más corto, o sea, el camino que le presenta

menos resistencia magnética.

- La resistencia magnética del aire es superior a la del hierro.

- La resistencia magnética o reluctancia, a semejanza de la resistencia eléctrica de

los conductores, depende de la NATURALEZA, LARGO Y SECCION DEL

NUCLEO.

5.1 Saturación del núcleo

Se alimenta un electroimán con una resistencia en serie

con el objetivo de graduar la intensidad a una baja I.

En el núcleo se colocan láminas de fierro una tras otra

hasta que la inducción magnética producida no sea capaz

de sostener más láminas y se caigan como en la figura.

Si se aumenta la intensidad, verificamos que se puede

aumentar el número de láminas.

Si continúa aumentando la intensidad y comprobamos que

el núcleo no es capaz de sostener más láminas.

¿Qué ha sucedido?

Que el núcleo se ha saturado, es decir, que en este momento el núcleo canalizó el

máximo de líneas de fuerzas capaz de admitir por cm2

y aunque aumente el campo

magnético de la bobina, el flujo canalizado por el núcleo no aumentará.

En el cuadro de la figura se hará la curva de saturación según experiencias.

H: intensidad de campo de la bobina

B: flujo inducido en el núcleo

5.2 Magnetismo remanente

Experiencias - En la bobina de la fig. 1 se ha introducido

una barra de hierro NO IMANTADO.

- Se alimenta la bobina con corriente

continua.

- Se irrumpe el circuito y se verifica que la

barra de hierro haya quedado imantada.

- El mismo circuito se alimenta en corriente

alterna.

- Se irrumpe el circuito y se verifica que la

barra de hierro continúa ligeramente

imantada.

Eliminación del magnetismo remanente

- Se alimenta la bobina con corriente

alterna.

- Se comienza a disminuir la

intensidad lentamente justo hasta

llegar a O.

- Se comprueba que la barra de

hierro ya no conserva magnetismo

remanente.

- Ha quedado DESIMANTADA.

6. REGLA DEL FLUJO MÁXIMO

6.1 Experiencia I Al circula C.C. a través de la bobina, la brújula es atraída

hacia el interior de ésta, desde ese momento, la regla de

atracción y repulsión de polos no es válida. La brújula se

orienta de tal suerte que sus propias líneas se colocan en

el mismo sentido que las de la bobina.

Conclusión Cuando las líneas de fuerzas de estos dos flujos están dirigidas en un mismo sentido, sus

líneas se suman y el flujo es máximo.

6.2 Experiencia II Las bobinas A y B están enrolladas en el mismo sentido, pero son recorridas por

corrientes de sentido contrario.

Al alimentar las bobinas las corrientes circulan en sentido contrario, los flujos se

oponen y se rechazan.

La bobina B es rechazada y gira en un ángulo de 180°

La bobina B es atraída, las corrientes circulan en el mismo sentido y los flujos se

suman. En este instante el flujo es máximo.

6.3 Experiencia III Dos conductores a través de los cuales circula corriente, en la fig. 1 en el mismo sentido

y en la fig.2 en sentido contrario.

Los conductores se atraen. Las líneas de fuerza giran en el mismo sentido.

Los conductores se rechazan. Las líneas de fuerzas giran en sentido contrario.

*** Estas diferentes experiencias nos permiten decir: CUANDO DOS O MÁS FLUJOS

ESTÁN PRÓXIMOS UNOS DEL OTRO, EL FLUJO RESULTANTE TIENDE

SIEMPRE HACIA UN MÁXIMO.

7. PRINCIPIO MOTOR

Experiencias

Si se tiene un campo magnético originado por imanes o un electro imán y un conductor

recorrido por una corriente ubicado entre el campo magnético.

¿Qué sucede?

Cuando el conductor es recorrido por una corriente queda sometido a una fuerza

electrodinámica que tiende a desplazarle perpendicularmente a las líneas de fuerzas.

¿De qué depende esta fuerza electrodinámica o desplazamiento del conductor?

Del sentido del campo magnético.

Del sentido de la corriente.

Regla de la mano izquierda

Se coloca la mano izquierda en dirección de la corriente de modo que el sentido de ésta

coincida con los 4 dedos, del índice al meñique, y que las líneas de fuerzas incidan

perpendicularmente sobre la palma de la mano; el pulgar indicará el movimiento del

conductor.

8.PRINCIPIO GENERACIÓN Cuando un conductor forma parte de un circuito cerrado y se

mueve o gira dentro de un campo magnético, se induce en él una

f.e.m.

Si los extremos del conductor se cierran a través de un mA la

f.e.m. hace circular una corriente.

La magnitud de la corriente inducida depende de la intensidad de campo H y de la

velocidad de desplazamiento del conductor.

Regla de la mano derecha Se coloca la mano derecha extendida de modo que las

líneas de fuerzas incidan perpendicularmente sobre la

palma de la mano, y el dedo pulgar indicando el

movimiento del conductor (D); el resto de los dedos, del

índice al meñique, indicarán el sentido de la corriente.

Nota: Al aplicar la regla de la mano izquierda, es posible

verificar que la corriente inducida se opone al

desplazamiento del conductor.

Ley de Lenz

TODA CORRIENTE INDUCIDA TIENE UN SENTIDO TAL QUE TIENDE A

OPONERSE A LA CAUSA QUE LA PRODUCE.

Aplicación Si la espira gira en sentido de los punteros del reloj, determinar:

- El sentido de corriente inducida en la bobina móvil.

- La polaridad de la f.e.m. inducida

Experiencias Al desplazar un imán en el interior de una bobina, una corriente se

origina en el bobinado. Esta corriente se llama corriente inducida.

El mismo resultado se puede obtener al reemplazar el imán por un

electroimán.

Si se hace girar una bobina en el interior de un campo magnético

constante, constatamos que una corriente variable se origina al

girar la bobina.

¿Qué se ha obtenido con esta experiencia?

- Un alternador

Conclusión - Para que una corriente inducida se origine en una bobina, es necesario que ella

sea sometida a una variación de flujo.

- La bobina que produce el flujo se llama INDUCTORA.

- La bobina a la que se le induce el flujo se llama INDUCIDO.

Dínamos Reemplacemos los anillos del alternador

por un anillo cortado por la mitad y

aislemos una parte de la otra. Cada una de

las extremidades de la espira sigue unida a

las escobillas y al mismo tiempo a cada

anillo. El cilindro así formado por las dos

mitades del anillo, se llama colector y las

dos mitades de llaman delgas.

Coloquemos las escobillas diametralmente opuestas y comprobemos a través de un

vóltmetro y una ampolleta los efectos que suceden al girar la espira una vuelta completa

dentro del campo magnético, según figuras 2 al 7.

Al examinar las figuras vemos que la rotación de las espiras produce una corriente

alterna (como en el alternador) pero de un solo sentido constante.

Conclusión La dínamo es un alternador donde la corriente es la convertida de C.A. en C.C. por

intermedio del colector.

9. LEY DE LENZ ¿De qué depende el sentido de la corriente inducida?

Al cierre del interruptor:

- El flujo inductor aumenta.

- La aguja del amperímetro se desvía en un

sentido.

A la abertura del interruptor:

- El flujo del inductor conserva el mismo

sentido, pero disminuye.

- La aguja del instrumento se desvía en sentido

inverso.

El sentido de la corriente inducida depende

Del sentido de la variación del flujo inductor