UNIDAD II MQUINAS ELECTRICAS Fuerza electrosttica Fuerzas magnticos

UNIDAD II MÁQUINAS ELECTRICAS Ø Fuerza electrostática Ø Fuerzas magnéticos Ø Campos electromagnéticos Ø Fuerza electromotriz Ø Bobinas o inductores Ø Transformadores

Campo Magnético Fuerza electrostática: Los átomos que están presentes en todos los cuerpos, están compuestos de electrones, protones y neutrones. Los tres tienen masa pero solamente el electrón y el protón tienen carga. El protón tiene carga positiva y el electrón tiene carga negativa. Si se colocan dos electrones (carga negativa los dos) a una distancia "r", estos se repelerán con una fuerza "F". Esta fuerza depende de la distancia "r" entre los electrones y la carga de ambos. Esta fuerza "F" es llamada Fuerza electrostática.

Campo Magnético cargas negativas frente a frente se repelen cargas positivas frente a frente se repelen carga positiva frente a carga negativa se atraen un electrón con un neutrón no generan fuerza un protón con un neutrón no generan fuerza

Campo Magnético y líneas de campo La fuerza magnética y el campo magnético son consecuencia de la existencia de los polos magnéticos (polos Norte y Sur). Las líneas de campo magnético permiten estimar en forma aproximada el campo magnético existente en un punto dado, tomando en cuenta las siguientes Características: 1. Las líneas de campo magnéticos son siempre lazos cerrados que van de norte a sur por fuera del imán y de sur a norte por dentro del imán 2. Los lazos magnéticos nunca se entrecruzan 3. Las líneas magnéticas de imanes diferentes se atraen y se repelen entre si. 4. Las líneas del mismo sentido se atraen y las de sentido opuesto se repelen.

Materiales ferromagnéticos La mayoría de los materiales no responden a un campo magnético, salvo los llamados ferromagnéticos. Consisten de moléculas como imanes pequeños, tienen polos norte y sur e inducen un campo magnético. Originalmente tienen una orientación aleatoria. cancelándose entre si y parecen no tener propiedades magnéticas. Cuando se aplica una fuerza magnética exterior las moléculas se alinean en el sentido de la fuerza, los campos magnéticos se unen (suman) y estos materiales se comportan como imanes (están imantados)

Materiales ferromagnéticos Algunos de estos materiales se mantienen imantados por poco, mucho tiempo o permanentemente. Esta capacidad de mantenerse imantado, se llama retentividad. Un imán permanente está hecho de un material con alta retentividad. Otra característica de un imán permanente es su capacidad de mantener su imantación en presencia de un campo magnético exterior. Lo opuesto a la imantación se llama resistencia magnética. Lo opuesto a la resistencia magnética se llama permeabilidad (facilidad con que un material es imantado).

Materiales ferromagnéticos La dependencia del campo magnético (B) de la estructura molecular del material en que reside, lleva a definir la intensidad de campo magnético (H) producida por un campo exterior, como si fuera aplicada en el vacío. La relación entre B y H está dada por la permeabilidad del material al cual se aplica el campo magnético: B = u*H Para la mayoría de los materiales u es constante, pero esta característica no es cierta para los materiales ferromagnéticos.

Fuerza magnética inducida (Motor) Si un cable conductor , por el que circula una corriente eléctrica, está en presencia de un campo magnético, se ejerce una fuerza sobre el cable de una magnitud dada por la siguiente fórmula: F = i*B*L*sin(α) Donde: i = corriente que circula por el cable B = campo magnético L = longitud del cable α = ángulo entre la dirección de la corriente y la dirección del campo magnético.

Fuerza Electromotriz inducida (Generador) Si a un cable conductor, en presencia de un campo magnético, se ejerce una fuerza de una magnitud F, se inducirá en él una corriente eléctrica dada por la siguiente fórmula: i = F/(B*L*sin(α)) Donde: i = corriente que circula por el cable B = campo magnético L = longitud del cable α = ángulo entre la dirección de la corriente y la dirección del campo magnético.

Regla de la mano derecha Si por el cable circula una corriente (i) en el sentido que muestra en dedo pulgar en la figura y el campo magnético (B) tiene el sentido que muestra el dedo índice, se ejercerá sobre el cable que conduce la corriente (i) una fuerza (F) que tiene la dirección mostrada por el dedo medio. En el caso que hubieran N cables en presencia de un campo magnético, la fuerza magnética inducida será la fuerza en un cable multiplicado por N. la fórmula será entonces: F = N*i*B*L*sin(α)

Campo electromagnético inducido Segunda ley de la mano derecha Cuando una corriente alterna o continua viaja por un conductor (cable), genera a su alrededor un efecto no visible llamado campo electromagnético. • El campo magnético es más intenso cuanto más cerca está del cable y esta intensidad disminuye conforme se aleja de él, hasta que su efecto es nulo. • La fórmula para obtener el campo magnético en un conductor es: B = m. I/(2πd ) • Donde: - B: campo magnético - I: corriente por el cable - d: longitud del cable - m: es la permeabilidad del aire - π = 3. 1416

Campo electromagnético inducido Con N cables el campo magnético resultante sería: B = N*m*I/(2*π*d) “Corriente en un conductor genera campo electromagnético y campo magnético genera una corriente en un conductor”. Las aplicaciones más conocidas utilizan corriente alterna. Las bobinas: la energía se almacena como campo magnético. Los transformadores: la corriente alterna genera un campo magnético en el bobinado primario, que induce en el bobinado secundario otro campo magnético que a su vez induce una corriente.

Inductores o bobinas A diferencia del condensador, que almacena energía en forma de campo eléctrico, la bobina por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético. Al estar el inductor hecho de espiras de conductor, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior. Los inductores se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula a través de ellos. A la hora de modificar el sentido corriente esta intentará mantener su condición anterior. Cuando una bobina esta conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje y la corriente que circula por ella.

Inductores o bobinas En otras palabras: La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje aplicado y es proporcional al cambio de la corriente. Inductancia, unidades La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se miden en Mili. Henrios (m. H) El valor depende de: - El número de espiras (a más vueltas mayor inductancia). - El diámetro de la espira (a mayor diámetro, mayor inductancia). - El tipo de material del núcleo, si es que lo tiene.

Inductores o bobinas Aplicaciones de una bobina • • En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balast o balastro En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida La bobina / inductor y la corriente continua (c. c. ) Si se aplica corriente continua a un inductor, éste se comporta como un corto circuito y dejará pasar la corriente a través de ella sin ninguna oposición. Sólo existe oposición en el momento en que se hace la conexión a la fuente de voltaje y dura por un tiempo muy pequeño (estado transitorio o 0+)

Inductores o bobinas La bobina / inductor y la corriente alterna (c. a. ) La bobina como la resistencia se opone al flujo de a corriente, pero a diferencia de esta, el valor de esta oposición se llama reactancia inductiva (XL) y se puede calcular con la Ley de Ohm: XL = V / I y por la fórmula Angulo de fase En la bobina con corriente alterna, el voltaje adelanta a la corriente en 90°. (las ondas están desfasadas en la cuarta parte de su período) XL = 2 π f L

Inductores o bobinas El factor de calidad (Q) de una bobina / inductor • La reactancia inductiva (XL) calculada anteriormente toma en cuenta un inductor ideal. En la práctica tiene asociado una resistencia RL debido al material que de está hecha y al núcleo. Esta resistencia (RL) se pone en serie con inductor. • La relación que existe entre la reactancia XL y la resistencia RL es llamada • "Factor de calidad". Q = XL / RL, • donde RL es la resistencia en serie. Tanto Xl como RL dependen de la frecuencia por lo que Q depende de la frecuencia. A menor RL mayor factor de calidad.

Transformadores El Transformador ideal: Es un dispositivo utilizado para "transformar" el voltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otro de diferente amplitud, que entrega a su salida. Se compone de un núcleo de hierro en el cual se ha arrollado espiras de conductor en dos diferentes bobinas. “Primario" es aquel que recibe el voltaje de entrada y "secundario" es aquel que entrega el voltaje transformado. La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna e inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de él induciendo un voltaje y, de haber una carga, induciendo una corriente eléctrica.

Transformadores La razón de transformación del voltaje entre el "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. La fórmula: Vs* Np = Ns * Vp Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado. Si se supone que el transformador es ideal. (la potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras), entonces: Pe = Ps