U1A Circuitos Magneticos 1/1

Introducción a los Circuitos Magnéticos

Concepto de Circuitos Magnéticos

• Los circuitos magnéticos son fundamentales en las máquinas eléctricas, constituyendo su esencia y funcionalidad.

• El flujo magnético se define como el producto de la densidad por el área, medido en Weber (Wb) en el sistema internacional.

Unidades de Medida

• La inducción se mide en teslas (T), donde 1 T equivale a 10,000 gauss (G). En algunos catálogos se utiliza la unidad gauss para chapas ferromagnéticas.

• Se presenta una bobina de cobre que genera un campo magnético al circular corriente eléctrica.

Generación del Campo Magnético

• El sentido del campo magnético generado por la corriente se determina usando la regla de la mano derecha: el pulgar indica la dirección del campo.

• La inducción magnética en una bobina con núcleo de aire se calcula mediante la fórmula mu_0 cdot n / L , donde mu_0 es la permeabilidad del vacío.

Parámetros Importantes

• La permeabilidad del vacío es aproximadamente 4pi times 10^-7 , H/m .

• Se introduce el concepto de fuerza magnetomotriz (FMM), que es proporcional al número de espiras multiplicado por la corriente.

Aplicaciones Prácticas

• Los ingenieros utilizan campos magnéticos para diversas aplicaciones, como grúas magnéticas que levantan objetos metálicos.

¿Cuáles son los materiales ferromagnéticos más efectivos?

Conceptos básicos de la conductividad magnética

• Los materiales ferromagnéticos son considerados los mejores para la ingeniería debido a su capacidad para conducir campos magnéticos con relativa facilidad, similar a cómo se eligen materiales que conducen electricidad.

• La conductividad eléctrica se mide mediante un parámetro llamado "conductividad eléctrica", mientras que en el caso de los materiales magnéticos, se utiliza el concepto de "permeabilidad magnética" para evaluar su eficacia en la conducción de líneas de campo.

Comparación y medición de permeabilidad

• Un material es considerado más permeable que otro cuando su valor relativo (mu r) es mayor. Esto permite comparar diferentes materiales en función de su capacidad para transportar campos magnéticos.

• La permeabilidad del material se compara con respecto al vacío, que sirve como referencia. El mu del material se denomina mu r y es fundamental para entender las propiedades magnéticas.

Importancia del ensayo y mediciones

• En tablas, generalmente se presenta el mu relativo, mientras que el mu absoluto no siempre está disponible. Este último puede ser calculado usando una fórmula específica relacionada con constantes físicas.

• Para medir cómo varía la permeabilidad (mu) respecto a la intensidad del campo (H), es necesario realizar ensayos prácticos donde se genera un campo magnético al hacer circular corriente por un núcleo.

Saturación del material

• Al aumentar la corriente en un material como acero silicio, inicialmente se logra transportar más energía; sin embargo, llega un punto donde las mediciones comienzan a caer debido a la saturación del material.

• La saturación ocurre porque las líneas de campo empiezan a dispersarse en lugar de concentrarse dentro del núcleo, lo cual limita la efectividad del transporte energético.

Histeresis y estructura cristalina

• Los materiales presentan un fenómeno conocido como histeresis magnética, donde tienen una "memoria" sobre su estado anterior debido a sus estructuras internas y características cristalográficas.

• La teoría de los dominios explica cómo los imanes elementales dentro de los metales ferromagnéticos interactúan entre sí durante procesos como magnetización o desmagnetización.

Formación y orientación de dominios

• Cuando un metal solidifica, primero forma embriones que crecen hasta convertirse en granos con estructuras cristalinas. Estos granos contienen pares electrónicos que actúan como pequeños imanes orientados aleatoriamente al inicio.

¿Cómo se comportan los materiales en un microscopio electrónico?

Estructura de los materiales

• Se observan claramente los bordes de grano en una muestra bajo un microscopio electrónico, lo que indica que la estructura real es más compleja y menos prolija de lo que parece en las imágenes.

• Un sólido no puede ser doblado o manipulado libremente; para que un par elemental se oriente en una dirección específica, debe girar, lo cual implica el movimiento de otros granos adyacentes.

Movimiento y energía

• La estructura del material se ajusta al moverse, generando calor debido a pérdidas energéticas. Esto provoca que el núcleo de una máquina eléctrica se caliente al tacto.

• Aumentar la energía incrementa la orientación de los imanes elementales. La experiencia práctica es crucial para entender estos fenómenos; actividades cotidianas como andar en bicicleta son importantes para adquirir conocimiento práctico.

Experiencias prácticas con magnetismo

• Desarmar objetos como radios o cerraduras puede llevar a observar cómo los tornillos se adhieren por efectos magnéticos generados por el roce y la energía térmica.

• El rozamiento genera calor suficiente para ordenar imanes elementales, otorgando propiedades magnéticas al material. Este fenómeno es observable cuando un destornillador atrae tornillos después de haber sido utilizado.

Pérdida y recuperación del magnetismo

• Si un material magnetizado no se utiliza durante un tiempo prolongado, puede perder sus propiedades magnéticas debido a campos magnéticos externos. Sin embargo, si se le vuelve a aplicar energía, puede recuperar su magnetización.

• La capacidad de un material para mantener su magnetismo depende del tipo de aleación; algunos materiales pueden experimentar cambios significativos en sus propiedades magnéticas tras ser expuestos a diferentes condiciones.

Saturación magnética y características eléctricas

• Al aumentar la corriente eléctrica, hay un límite donde todos los cristales ya están orientados; continuar aumentando la energía solo resultará en magnetizar el aire alrededor del material (fenómeno conocido como saturación magnética).

• En este punto crítico, toda la energía adicional utilizada no contribuye a aumentar la magnetización efectiva del material sino que se desperdicia al intentar magnetizar el aire circundante.

Curvas características y comportamiento magnético

• Las curvas características representan el estado funcional de dispositivos eléctricos. Para imanes permanentes, estas curvas muestran valores específicos como el magnetismo remanente y la fuerza coercitiva.

Imanes Permanentes y Materiales de Tierras Raras

Introducción a los imanes permanentes

• Se discute el magnetismo remanente y la fuerza coercitiva de los imanes permanentes, especialmente aquellos hechos de aleaciones de tierras raras.

• Los imanes permanentes se encuentran en dispositivos como lectores de DVD y discos duros, donde su poder magnético es notablemente alto.

Experimento con imanes

• Se propone un experimento para extraer imanes permanentes de una lectora rota, destacando la dificultad para separarlos debido a su gran fuerza magnética.

• La separación de estos imanes requiere un esfuerzo considerable, lo que demuestra su alta capacidad coercitiva.

Características del magnetismo

• Se explica que algunos materiales tienen mucho magnetismo pero poca fuerza coercitiva, lo que les permite perder su magnetismo fácilmente.

• Las curvas que representan las propiedades magnéticas se obtienen mediante ensayos específicos realizados con núcleos toroidales.

Proceso experimental detallado

• El experimento involucra un núcleo toroidal con bobinas y corriente eléctrica para generar campos magnéticos medibles.

• Al ajustar el reóstato, se observa cómo la corriente afecta la inducción magnética hasta alcanzar un punto de saturación.

Ciclo de desmagnetización

• Se introduce el concepto de fuerza coercitiva al anular el magnetismo remanente mediante cambios en la dirección del flujo eléctrico.

Estudio del Ciclo de Histeresis en Materiales Ferromagnéticos

Introducción al Ciclo de Histeresis

• Se realiza un ensayo a un material ferromagnético para observar el ciclo de histeresis, lo que permite estudiar su comportamiento magnético.

• En los imanes permanentes, es crucial conocer la cantidad de magnetismo y la dificultad para eliminarlo.

Medición y Unidades

• Se utiliza un inductómetro o fluxmetro para calcular áreas en el ciclo cerrado, analizando unidades como teslas por amperio y julios por metro cúbico.

• El área encerrada en el ciclo representa la energía utilizada por unidad de volumen para magnetizar y desmagnetizar el material.

Comportamiento bajo Corriente Alterna

• Al someter materiales ferromagnéticos a corriente alterna, se observa que pueden oscilar 50 veces por segundo, lo que afecta su ciclo de histeresis.

• Los materiales con ciclos de histeresis angostos son preferibles en máquinas de corriente alterna para minimizar la energía consumida.

Clasificación de Materiales Magnéticos

• Se diferencian entre materiales magnéticamente blandos (fáciles de magnetizar y desmagnetizar) y duros (difíciles pero capaces de mantener el magnetismo).

• Los materiales magnéticamente duros requieren mucha energía tanto para magnetizarse como para desmagnetizarse.

Aplicaciones Prácticas

• Los materiales utilizados comúnmente incluyen hierro colado, acero colado, silicio acero y aleaciones níquel-hierro.

• Las tablas con valores específicos se utilizan en problemas prácticos; los estudiantes deben consultar estas tablas durante sus ejercicios.

Protocolo Experimental

• El aparato utilizado para ensayos se llama aparato Epstein; es fundamental obtener datos precisos sobre las propiedades magnéticas.

• La expresión del flujo magnético se relaciona con la reluctancia magnética, representada como R, diferenciándola así de la resistencia eléctrica.

Leyes Comparativas: Hopkinson vs. Ohm

• La ley de Hopkinson establece que el flujo es igual a la tensión magnética sobre la reluctancia magnética; similar a cómo funciona la ley de Ohm.

• Se establece una analogía entre circuitos eléctricos y magnéticos utilizando términos como tensión eléctrica/magnética e intensidad/corriente.

Ley de Amper: Generación del Campo Magnético

Conceptos Fundamentales sobre el Campo Magnético

Líneas de Campo Magnético

• Se aclara que las líneas de campo son cerradas, desafiando la idea común de que salen del Polo Norte y llegan al Polo Sur.

• La fuerza magnetomotriz (H) se define como H = n cdot I/l , donde n es el número de espiras, I es la corriente y l es la longitud.

Caídas de Tensión Magnética

• A lo largo de una línea magnética, cada tramo produce una caída de tensión magnética, cuya suma da la tensión total.

• Esta ley se aplicará en la resolución de problemas relacionados con circuitos magnéticos.

Circuito Magnético

• Se introduce el concepto de circuito magnético formado por bobinas y materiales ferromagnéticos que conducen flujo.

• Se establece una analogía eléctrica: si tres materiales tienen diferentes permeabilidades, no circulará el mismo flujo a través de ellos.

Reluctancia y Caídas de Tensión

• El flujo se divide en caminos con distinta reluctancia; esto implica que los materiales están conectados en serie.

• La fuerza magnetomotriz total es igual a la suma de las caídas de tensión a lo largo del circuito, similar a cómo funciona en circuitos eléctricos.

Aplicaciones Prácticas del Flujo Magnético

• Un circuito magnético está diseñado para encausar líneas de campo o conducir flujo útil hacia máquinas como transformadores.

Flujo Útil y Pérdidas en Ingeniería

Concepto de Flujo Útil

• Se define el flujo útil como la cantidad necesaria para generar una fuerza específica, por ejemplo, 20 Newton. Es crucial cuantificar las pérdidas que ocurren durante este proceso.

Pérdidas en el Proceso

• Las pérdidas son inevitables debido a la naturaleza física; esto se relaciona con los principios de la termodinámica. No se puede construir un sistema sin considerar estas pérdidas.

Imposibilidad del Móvil Perpetuo

• La construcción de un móvil perpetuo es imposible según la segunda ley de la termodinámica, lo que implica que siempre habrá pérdida de energía al realizar trabajo.

Generación de Fuerza y Compensación

• Para mover o atraer objetos, se necesita un flujo mayor al flujo útil para compensar las pérdidas. Esto es fundamental en el diseño ingenieril.

Flujo Total vs. Flujo Disperso

• El flujo total o neto es mayor que el flujo útil e incluye un componente llamado flujo disperso, que representa las pérdidas no controladas.

Mejoras en Diseño y Materiales

Optimización del Flujo Disperso

• Se pueden implementar mejoras constructivas para reducir el flujo disperso, como utilizar materiales adecuados y técnicas precisas en la fabricación.

Importancia del Cuidado en Construcción

• La calidad del corte y manipulación de materiales afecta directamente al aumento del flujo disperso; un manejo cuidadoso reduce significativamente las pérdidas.

Características del Hierro Dulce

• Los núcleos deben ser hechos de hierro dulce, que tiene buena permeabilidad magnética. Las aleaciones mejoran estas propiedades pero requieren investigación específica.

Pérdidas por Histéresis y Corrientes Parásitas

Tipos de Pérdidas Energéticas

• Existen dos tipos principales de pérdidas: por histéresis (debido a cambios alternos en el material) y por corrientes parásitas (inducidas dentro del núcleo ferromagnético).

Dependencia de Frecuencia

• Ambas pérdidas dependen críticamente de la frecuencia; a mayor frecuencia, mayores serán las pérdidas energéticas generadas.

Laminación como Solución

Reducción de Corrientes Parásitas

• La laminación del núcleo limita las corrientes parásitas al aumentar su resistencia eléctrica, siendo esencial para transformadores y motores eléctricos.

Estructura del Núcleo Laminado

Construcción de Transformadores y Problemas en Máquinas Rotativas

Proceso de Construcción de Transformadores

• Se explica cómo se construyen las piezas de los transformadores, utilizando chapas tipo E para los relés.

• Las chapas son apiladas, lo que permite una estructura delgada pero efectiva.

• La bobina se introduce en el conjunto apilado, destacando la importancia de cerrar el circuito para establecer el campo magnético.

Desafíos en Máquinas de Corriente Continua

• Se menciona un problema significativo relacionado con las máquinas rotativas, donde hay partes fijas y móviles.

• El campo magnético generado debe atravesar el aire, lo que complica la inducción debido a la resistencia del aire.

Impacto del Aire en el Campo Magnético

• El aire presenta un mu (permeabilidad) bajo, dificultando la propagación del campo magnético y requiriendo más energía para su establecimiento.

• Se discute la necesidad de minimizar el espacio entre hierros para mejorar la eficiencia del sistema.

Estrategias para Minimizar Pérdidas Magnéticas

• Para reducir pérdidas magnéticas, es crucial mecanizar los dispositivos con precisión y mantener un espacio mínimo entre hierros.

• El "entre hierros" se refiere al espacio aéreo que no puede ser ocupado por materiales sin afectar negativamente al funcionamiento.

Flujo Útil vs. Flujo Disperso

• Se define el flujo disperso como aquellas líneas de campo que cierran por el aire; este flujo no contribuye a la eficiencia del sistema.

• Un coeficiente de dispersión bajo (menos del 5%) es ideal para maximizar el flujo útil respecto al total.

Consideraciones sobre Entre Hierros

• A medida que aumenta el entrehierro, las líneas de campo tienden a expandirse, lo cual afecta negativamente a la eficiencia magnética.

• La distancia entre hierros debe ser mínima (decimas de milímetros), permitiendo así un mejor rendimiento mecánico durante la rotación.

Importancia del Mecanizado Preciso

Análisis del Aire y la Reluctancia Magnética

Importancia del Entre Hierro

• Se menciona que el aire en el entrehierro afecta la tensión magnética, lo que implica que un cuidado especial es necesario al apretar las piezas para evitar desbalances.

• La caída de tensión magnética se calcula considerando tanto el aire como el núcleo, lo cual es crucial para determinar la fuerza magnetomotriz total.

Problemas de Reluctancia

• Se destaca que hasta un 70% de la fuerza magnetomotriz puede ser absorbida por el aire, lo que representa un problema significativo en los circuitos magnéticos.

• La alta reluctancia del aire comparada con el hierro complica aún más la situación, haciendo necesario optimizar las configuraciones.

Configuraciones Comunes en Circuitos Magnéticos

• Se presentan diferentes configuraciones de bobinas, incluyendo conexiones en serie y paralelas, cada una con sus propias características y desafíos.

• En circuitos equivalentes, se utiliza una flecha para representar la dirección del flujo eléctrico, facilitando su análisis.

Caídas de Tensión y Leyes Aplicables

• Al pasar por diferentes materiales dentro del circuito, se generan caídas de tensión específicas (h1l1, h2l2), donde se aplica la ley de nodos para equilibrar flujos.

• Es fundamental entender cómo estas caídas afectan el rendimiento general del sistema magnético.

Factor de Laminado y Pérdidas Magnéticas

• El factor de laminado (entre 0.85 y 0.95) ayuda a calcular las pérdidas debidas al entrehierro generado por chapas apiladas.

• Las pérdidas magnéticas se dividen en dos categorías: histéresis y fucol; ambas contribuyen a la generación de calor en los núcleos ferromagnéticos.

Efecto del Ciclo de Histeresis

• El ciclo de histeresis representa energía perdida por unidad de volumen durante cada ciclo operativo; esto es crítico para máquinas eléctricas alternas.

• Un ciclo angosto reduce las pérdidas energéticas; sin embargo, los núcleos tienden a calentarse durante su funcionamiento normal debido a estas pérdidas.

Mantenimiento y Funcionamiento Normal

¿Cómo se calienta un motor y qué lo causa?

Funcionamiento del motor y transferencia de calor

• El funcionamiento de un motor puede generar calor, pero no necesariamente provoca quemaduras al tacto. Si el motor está caliente como una cafetera, es indicativo de que podría estar en riesgo de quemarse.

• Un motor se quema cuando su núcleo se calienta demasiado y no se disipa adecuadamente ese calor, lo que lleva a la transferencia del mismo a las bobinas.

Estructura de las bobinas

• Las bobinas están hechas de alambre de cobre esmaltado, donde cada vuelta (espira) está aislada por un esmalte para evitar cortocircuitos entre ellas.

• Para demostrar la conductividad del alambre esmaltado, es necesario romper o pelar el esmalte antes de que pueda conducir corriente eléctrica.

Pérdidas eléctricas en motores

• Se introducen pérdidas por corrientes parásitas en materiales con dimensiones específicas. Al cortar el material en pequeñas secciones, se aumenta la resistencia eléctrica.

• La resistencia eléctrica del material laminado es significativamente mayor que la del material macizo, lo cual ayuda a controlar las corrientes inducidas dentro del núcleo.

Laminación y propiedades magnéticas

• Los núcleos de máquinas de corriente alterna son laminados utilizando chapas de hierro silicio orientadas para mejorar sus propiedades magnéticas y reducir pérdidas energéticas.

• La laminación en frío permite mantener la orientación estructural del material, mejorando así su permeabilidad magnética sin desarmar los granos durante el proceso.

Mejora mediante aditivos

• La adición de silicio a las chapas mejora la resistencia eléctrica y reduce las pérdidas por corrientes parásitas. Esto optimiza tanto la magnetización como la eficiencia general del sistema eléctrico.

¿Cómo calcular la corriente y el flujo en un circuito magnético?

Introducción a los cálculos de corriente y sección

• Se menciona la importancia de conocer el flujo y la sección para calcular la corriente. Se establece que si no se proporciona información, es difícil avanzar.

• Es necesario tener datos sobre el diámetro o la sección del núcleo para realizar cálculos precisos. La falta de estos datos complica el proceso.

Cálculo del diámetro medio

• Si se proporcionan tanto el diámetro exterior como el interior, se debe calcular el diámetro medio, lo cual añade complejidad al problema.

• El cálculo de la longitud media requiere conocer el diámetro medio, que se obtiene sumando los diámetros exterior e interior y dividiendo por dos.

Determinación del valor de B

• Conocido el flujo y la sección, se puede calcular B (densidad de flujo magnético). Esto permite determinar H (intensidad del campo magnético).

• La relación entre B y H es fundamental; también se puede calcular mu (permeabilidad), así como la reluctancia usando fórmulas específicas.

Ejemplo práctico: Recíproco en circuitos magnéticos

• En un caso recíproco, dado un flujo conocido, primero se calcula H utilizando n (número de espiras), I (corriente), y l (longitud media).

• A partir de H, se determina B. El flujo es igual a B multiplicado por S (sección).

Consideraciones sobre factores adicionales

• Al introducir factores como laminado en los cálculos, es crucial considerar cómo afectan a las relaciones entre B y otros parámetros.

• En circuitos donde los materiales están en serie, cada material contribuye al cálculo total del flujo.

Problemas con flujos dispersos

• Cuando hay materiales con diferentes características en serie, cada uno afecta al cálculo general. Se deben sumar las contribuciones individuales para obtener resultados precisos.

• Para calcular H en aire o materiales menos densos, es necesario usar valores específicos que dependen del contexto del problema.

Resumen final sobre problemas recíprocos

• Los problemas pueden complicarse cuando faltan datos clave como flujos o características específicas. Sin embargo, si se proporcionan ciertos datos iniciales, muchos cálculos pueden resolverse fácilmente.

Cálculo de la Fuerza Magnetomotriz

Iteraciones en el Cálculo

• Se inicia el cálculo de la fuerza magnetomotriz considerando que todo está entre hierro, lo que resulta en un valor muy grande para la fuerza magnetomotriz.

• Con el valor obtenido, se puede determinar el resto de los cálculos necesarios. Este proceso se repite hasta alcanzar un error menor a 0,01, lo que podría requerir solo tres iteraciones.