fetd-ucsg teorÍa electromagnÉtica · 2018-02-26 · fuentes de campo magnético. solenoide o...
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FETD-UCSG
TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA
MAGNETOSTÁTICA
FUERZA MAGNÉTICA
SOLENOIDE
Original Dr. José León.
Modificado Por Orlando Philco A.
William Gilbert le dio una explicación de naturaleza magnética al
fenómeno, pero no obtuvo ecuaciones.
No fue hasta el año 1820 que Hans Christian Oersted, realizó trabajos
en el magnetismo y los campos magnéticos.
Todos habremos notado que los imanes son
materiales que atraen con mucha fuerza a otros
metales y a otros imanes.
Poseen dos polos: Norte (N) y Sur (S). Después se
verá el por qué de dichos nombres.
Ley de los Polos Magnéticos
Es análoga a la Lay de las Cargas.
“Polos magnéticos iguales se repelen y polos
magnéticos diferentes se atraen”
Los polos magnéticos no son separables,
siempre que existe un N, existirá un S a su lado.
Imaginemos que queremos dividir un imán
sucesivamente hasta niveles atómicos.
Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce" sus dos
polos. Si ahora volvemos a partir otra vez en dos, nuevamente
tendremos cada trozo con dos polos norte y sur diferenciados. En
magnetismo no existen los monopolos magnéticos.
Campo Magnético (B)
La acción a distancia de los polos magnéticos se
debe a la existencia del campo magnético.
Al igual que el campo eléctrico, el campo
magnético se caracteriza por tener líneas de
campo que se extienden por el espacio.
Siempre dichas líneas salen del polo N y entran
en el S.
Campos magnéticos de un imán recto, un imán
tipo herradura y dos polos N enfrentados.
Líneas mostrando el campo magnético de un imán de barra,
producidas por limaduras de hierro sobre papel.
Campo Magnético (B)
Campo magnético generado por una carga puntual en movimiento
Debido a que las corrientes eléctricas en conductores generan campos magnéticos y, una
corriente es la sucesión de partículas con carga en movimiento, nuestro punto de partida será
conocer el campo magnético generado por una única carga en movimiento.
Fuentes de campo magnético
Está claro que la fuente más fácil para producir un campo B es un imán.
Sin embargo, no podemos regular o controlar la intensidad de dicho
campo en estos casos.
Fuentes de campo magnético
Oersted descubrió que alrededor de todo
conductor con corriente eléctrica se produce
un campo magnético.
Para determinar el sentido de rotación del campo B alrededor del
conductor con corriente, se emplea la Regla de la Mano Derecha:
Fuentes de campo magnético
Donde μ es la permeabilidad magnética del medio (característica del medio en
permitir que el campo B se extienda en él). En el vacío:
Obsérvese que el campo B depende de la intensidad de la corriente I.
μo = 4p·10-7
T m/A
Unidades del campo B.
Fuentes de campo magnético
B [ T ] (Tesla)
[ G ] (Gauss)
Espira con corriente.
Con la espira se
obtienen campos B
3 veces mayores.
Campo Magnético generado por conductor recto
Las siguientes figuras muestran cómo se orientan una serie de brújulas cuando
se las coloca alrededor de un conductor que transporta una determinada
corriente. Puede observarse en la Figura 12 a, las brújulas se orientan en el
campo magnético terrestre, mientras que en la Figura 12 b las mismas se
orientan en el campo magnético generado por el cable (ya que éste último es
más intenso que el de la tierra). Por último la Figura 12 c muestra que el sentido
del campo magnético está determinado por la regla de la mano derecha tal como
queda demostrado por la presencia de las brújulas.
Fuentes de campo magnético
Solenoide o bobina.
Es una sucesión de espiras unas al lado de las otras.
Cuando se estudiaron los campos eléctricos hemos observado la existencia de
campos eléctricos uniformes. Los campos uniformes tienen mucha utilidad
práctica porque tienen diversas aplicaciones. De un modo similar un campo
magnético uniforme es generado por un solenoide
Campo B del solenoide.
Los campos magnéticos de cada espira se superponen
para formar un único campo B.
Podemos, mediante limaduras de hierro, conocer la estructura del campo
magnético, lo cual se observa en la siguiente figura.
(a) el campo magnético, en el interior del solenoide, siempre es paralelo a un eje
longitudinal del solenoide; (b) dicho campo, es uniforme; (c) en los extremos del
solenoide el campo pierde dicha uniformidad y (d) afuera del solenoide el campo es
nulo. Cuanto más largo es el solenoide, se puede comprobar una mejor uniformidaddel campo magnético en el interior del solenoide.
Fuentes de campo magnético
Campo B del solenoide (en su interior).
Donde:
N: número de espiras
L: largo del solenoide
r: radio del solenoide
Nótese que ahora el campo B aumenta con el
numero de vueltas y la corriente I
Fuentes de campo magnético
Campo B del solenoide (en su interior).
Alambre recto con corriente:
Espira con corriente.
Geometría del
inductor: Consiste en
un enrollado en una
forma generalmente
cilíndrica.
El parámetro que
caracteriza al inductor
es la inductancia “L”
La unidad de medida de
L es el Henrio (H) en
honor a Joseph Henry
(1799-1878).
Múltiplos Submúltiplos
No se usan H mH uH
Parámetros geométricos del inductor:
largo (L)
diámetro (d)
número de vueltas (N)
La inductancia “L” depende del número de vueltas, del diámetro de las espiras, del
largo de la bobina y del tipo de núcleo. Al introducirle un núcleo se aumenta la μ y
con ello se multiplica el campo B.
Tipos de núcleos:
Aire
Hierros
Ferritas
Representación circuital del inductor:
Tipos de núcleos usados en la industria:
MaterialComposición aproximada
PermeabilidadFe Ni Co Mo Otros
Acero laminado en frío 98.5 --- --- --- --- 2,000
Hierro 99.91 --- --- --- --- 5,000
Hierro purificado 99.95 --- --- --- --- 180,000
Hierro al 4% silicio 96 --- --- --- 4 Si 7,000
45 Permalloy 54.7 45 --- --- --- 25,000
Permalloy 45 54.7 45 --- --- --- 50,000
Hipernik 50 50 --- --- --- 70,000
Monimax --- --- --- --- --- 35,000
Sinimax --- --- --- --- --- 35,000
Permalloy 78 21.2 78.5 --- --- 0.3 Mn 100,000
Permalloy 4-79 16.7 79 --- 4 0.3 Mn 100,000
Mu metal 18 --- --- --- --- 100,000
Supermalloy 15.7 79 --- 4.3 --- 800,000
Permendur 49.7 79.0 --- 05.0 --- 5,000
Permendur 2V 49 --- --- --- --- 4,500
Hiperco 64 --- --- --- --- 10,000
Permalloy 2-81 17 --- --- --- --- 130
Hierro Carbonyl 99.9 --- --- --- --- 132
Ferroxcube III --- --- --- --- --- 1,500
Al introducir un núcleo el campo B aumenta
significativamente.
Distintos tipos de inductores. Obsérvese sus formas.
Medición de inductores.
El inductimetro.
Cálculo de la inductancia de un inductor.
Fórmula de Wheeler.
(bobina monocapa)
N: número de vueltas
d: diámetro en mm
L: largo en mm
Cálculo de la inductancia de un inductor.
Ejemplo:
N=7
d= 10 mm
L= 100 mm
L = 0,5 uH
Tipos de núcleos.
Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material plástico,
cartón, etc. Poseen muy bajo valor de inductancia. (desde menos de 1 uH hasta
decenas de uH)
Núcleo de hierro: aumenta el valor de la inductancia. Sólo se emplea en bajas
frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones:
fuentes de alimentación y amplificadores de audio. Poseen valores de mH.
Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos. Poseen
grandes valores de inductancias. Se emplean en radiofrecuencias. Poseen
valores de entre uH y mH.
Aplicaciones de los inductores:
Bloquear el paso de la CA: bloquear (“choke” en inglés) el paso de CA o
radiofrecuencia en circuitos de CC.
Transformadores: constituyen las bobinas de los transformadores.
Filtros: para seleccionar el paso de determinadas frecuencias y bloquear otras.
En circuitos de sintonías: junto con un capacitor forman un circuito LC que
permite la sintonía de frecuencias.
Tipos de inductores:
Solenoides: son estructuras más alargadas que anchas. Pueden o no tener
varias capas de enrollados.
Solenoides con núcleo de aire Solenoides con núcleo de ferrita.
(Pueden llegar hasta decenas de mH)
Se emplean en aplicaciones generales, filtros, convertidores DC/DC, etc.
Tipos de inductores:
Toroides: son estructuras circulares, su enrollado se presentan en forma de
lanzaderas. El campo magnético se confina en su estructura por lo que tienen altos
valores de inductancia.
Toroide típico. Puede llegar a decenas de
mH. Se emplean en fuentes de
alimentación, transformadores,
acopladores de RF, etc.
Tipos de inductores:
Encapsulados: son estructuras
encapsuladas en cerámicas. Sus valores de
inductancia son pequeños, del orden de
decenas a centenares de uH. Tienen
aplicaciones en equipos de radio, en las
etapas de osciladores y filtros de RF.
Chips: son estructuras encapsuladas en
chips. Sus valores de inductancia son
pequeños, del orden de 1mH. Tienen
aplicaciones generales.
Tipos de inductores:
Variables: poseen un núcleo que entra y
sale del enrollado lo que permite varias su
valor de inductancia. Estos valores pueden
estar entre 100 uH y decenas de mH. Se
emplean en etapas sintonizadas de RF,
osciladores y circuitos de RF como
transmisores y receptores
Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños.
Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños.
Ejemplos de inductores:
Los materiales se clasifican de acuerdo a como respondan frente a un imán:
Materiales magnéticos
Materiales ferromagnéticos: Son atraídos fuertemente por un imán. (hierro
(Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero )
Materiales paramagnéticos: Son atraídos débilmente por un imán. (aire,
aluminio (Al), calcio (Ca), platino (Pl), magnesio (Mg), paladio (Pd) )
Materiales diamagnéticos: Son repelidos débilmente por un imán. (cobre
(Cu), bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), estaño (Sn), zinc (Zn), agua.)
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales magnéticos
Cada electrón que orbita al núcleo constituye una
corriente eléctrica. Por ello, tiene asociado un
campo B.
Ahora bien, cada campo B de cada electrón interactúa
con los campos B de sus vecinos.
Por ello, los electrones se reorganizan en sus órbitas y cada átomo tendrá un campo B
resultante.
Es de razonar entonces que cada campo B en cada átomo interactúa con los campos
B de los átomos vecinos, formándose entonces colonias de átomos de campo B
promedio. A estas colonias se les denomina “dominios magnéticos”.
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales magnéticos
Dominios magnéticos.
Cada región del dominio se caracteriza por tener un campo B promedio en
una dirección específica del espacio.
Cabe preguntarse ahora, ¿cómo responden las
estructuras de los dominios magnéticos en los
materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y
diamagnéticos al estar en presencia de un imán?
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales magnéticos
Materiales ferromagnéticos. Estos
reorientan muy fácilmente sus
dominios en presencia de un
campo B exterior. Una vez
reorientados, se comportan como
in imán.
Las fronteras de los dominios se
agrandan.
Al quitar el campo B externo,
vuelve a recobrarse parcial o
totalmente la situación inicial.
Teoría de los dominios de Webber.Materiales magnéticos
Materiales ferromagnéticos. En
presencia de un campo
externo, sus dominios se
alinean con las líneas de fuerza
del campo externo,
comportándose como un imán,
por eso son atraídos por éstos.
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales magnéticos
Materiales paramagnéticos. En
presencia de un campo
externo, algunos de sus
dominios se alinean con las
líneas de fuerza del campo
externo, comportándose como
un imán débil y por eso son
atraídos débilmente por éstos.
Teoría de los dominios de Webber.
Materiales magnéticos
Materiales diamagnéticos. En
presencia de un campo externo,
algunos de sus dominios se
alinean en contra de las líneas
de fuerza del campo externo,
comportándose como un imán
débil y por eso son repelidos
débilmente por éstos.
Efecto Hall
El físico Estadounidense Edwin Hall descubrió el fenómeno del efecto hall en
1879, en donde afirma que si una corriente fluye en un conductor (o
semiconductor) y se le aplica un campo magnético perpendicular a dicha
corriente, entonces genera un voltaje perpendicular a ambos. Este fenómeno
se denomina Efecto Hall que se emplea como base de sensores de
movimiento, lineal o rotatorio.
.También se emplean como
sensores de corriente. En
robótica generalmente se utilizan
como sensores internos. La señal
de Hall es débil y dependiente de
la temperatura, por lo que se
emplean acondicionadores de la
señal y compensadores en el
mismo circuito integrado sensor
Ej. Sensor de campo magnético integrado.
Produce una tensión de salida lineal,
proporcional a la relación proporcional al
campo magnético aplicado con la
superficie del chip.
Los sensores basados en efecto Hall son usados como sensores intrínsecos
de posición y velocidad por su resistencia y tolerancias a fallos. La industria
automotriz los ha adoptado hace años con excelentes resultados en
sensores de posicionamiento absoluto y relativo en los motores.
A grandes rasgos, el Efecto
Hall consiste en la aparición de
una diferencia de potencial
eléctrico entre los extremos de
un conductor atravesado por un
campo magnético por el que
circula una corriente.
PREGUNTAS PARA EVALUACIÓN DE TEORÍA
ELECTROMAGNÉTICA DE LA FETD
¿Cómo se puede determinar si un metal es ferromagnético o no?
¿Cómo se produce la Inducción electromagnética?.
¿Qué es la Autoinductancia e Inductancia mutua?.
¿ En qué consiste el efecto Hall?
Campo magnético terrestre.
La Tierra, al igual que otros planetas, incluso el
Sol, tiene un campo magnético a su alrededor.
El polo N está muy cercano al polo Norte
geográfico y el polo S muy cercano al Sur
geográfico. (inclinación de 11 grados).
De ahí los nombres de los polos magnéticos.
La aplicación más inmediata que tuvo este
fenómeno fue la orientación mediante la brújula.
Campo magnético terrestre.
Hay hipótesis que establecen que el origen de dicho
campo es el núcleo de la Tierra que esta en movimiento
y forma corrientes eléctricas en remolino.
Campo magnético terrestre.
En los polos es más intenso que en el ecuador.
De ahí las auroras boreales.
Campo magnético terrestre.
El campo magnético terrestre es afectado por las
exposiciones solares y el “viento solar” que este
emite en cada exposición. Tiene consecuencias
graves en las telecomunicaciones.
BiBLIOGRAFÍA
León José (2012) Física Escuela de Ingeniería. UDI.
Obtenido de: http://slideplayer.es/slide/7432849/