I. EL CIRCUITO MAGNÉTICO. El circuito magnético es un dispositivo en el cual las líneas de fuerza del campo magnético se hallan canalizadas trazando un camino cerrado. Las líneas de fuerza son líneas imaginarias, que tienen presencia física, que sirven para esquematizar gráficamente un campo magnético y proporcionar su dirección, el cual se considera como la influencia de un cuerpo que está especificado por dos valores: dirección y magnitud.

Figura 1.1 Estructura de un circuito magnético simple.

Un circuito magnético sencillo es una anillo hecho de material ferromagnético envuelto por un arrollamiento por el cual circula una corriente eléctrica y esta última crea un flujo magnético cuyo valor viene determinado por:

ɸ=ӺR

Fórmula 1.1. Flujo en un circuito magnético.

El flujo en un circuito magnético (ɸ), Es igual a la suma total de las líneas de fuerza existentes en el campo magnético y se corresponde con la corriente en el circuito eléctrico. La fuerza magneto motriz (f.m.m.), se puede expresar de forma abreviada como f.m.m. Y representa en el circuito magnético la misma función que la f.e.m. En el circuito eléctrico. La reluctancia (R), es la oposición que ofrece un material a dejarse atravesar por el flujo magnético y se corresponde con el papel de la resistencia del circuito eléctrico. Los circuitos magnéticos son muy importantes en ingeniería eléctrica pues son la base teórica para la construcción de transformadores, motores eléctricos, relés, etc. Un Circuito Magnético guarda en algunos aspectos gran semejanza con el Circuito Eléctrico. Por lo tanto, las leyes que lo rigen, también guardan bastante analogía.Como en el caso del circuito eléctrico, se puede establecer una ley parecida a la Ohm para el circuito magnético.

Las Reluctancias se combinan en serie y en derivación (Paralelo), obedeciendo a las mismas leyes que en el caso de las resistencias.

DESARROLLO DEL TRABAJO.

1.1 CONVERSIÓN DE ENERGÍA ELECTROMECÁNICA.

La conversión de energía electromecánica es el proceso de convertir energía de su forma eléctrica a su forma mecánica o viceversa.

La primera idea de la posibilidad de conversión de la energía eléctrica y mecánica fue dada a conocer por Michael Faraday en [1831]. Este descubrimiento es considerado como el que más posibilidades de desarrollo ha ofrecido. Este descubrimiento es lo que dió origen al desarrollo del generador, del motor eléctrico, el micrófono, el altavoz, el transformador, etc.

Los procesos industriales generalmente requieren la conversión de energía de una forma ya disponible, en otras más adecuadas para su utilización. A los aparatos que realizan tal conversión se les denomina transductores, los tipos más comunes de transductores son los electro magnetos, transformadores, motores eléctricos y generadores eléctricos.

En el transformador, dos o más circuitos eléctricos están acoplados por medio de un campo magnético, de tal forma que la energía eléctrica pueda ser convertida en valores de corriente y voltaje en un circuito, a valores más adecuados en otros circuitos acoplados.

1.2 LEYES DEL ELECTROMAGNETISMO.

1.2.1 LA RELACIÓN QUE EXISTE ENTRE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y FUERZA ELECTROMAGNÉTICA.

La fuerza electromagnética es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Se da de la combinación de la fuerza eléctrica y fuerza magnética. Es en este tipo de fuerza donde se lleva a cabo la participación de cargas de repulsión y atracción, las cuales hacen que exista un flujo de electrones, es aquí donde entra el concepto de inducción electromagnética.

La inducción electromagnética es el proceso mediante el cual los campos magnéticos generan campos eléctricos.

1.2.2 LEY DE FARADAY DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

La contribución singular del descubrimiento de Faraday en 1831 fue la generación de una tensión debida al movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor de electricidad. Faraday denominó a esta tensión como tensión inductancia debido a que solo se produce cuando existe un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético sin contacto físico real entre ellos. El principio de inducción electromagnética se representa a continuación en el siguiente diagrama.

El enunciado general de la ley de Faraday puede expresarse así: el valor de la tensión inducida en una sola espira de hilo es proporcional a la velocidad de las líneas de fuerzas que la atraviesan (o concatenan con ellas).

1.2.4 REGLA DE FLEMING. (SENTIDO DE LA TENSIÓN INDUCIDA).

La relación entre los sentidos de la fem inducida, el campo magnético y el movimiento del conductor, se representa mediante la regla nemotécnica de Fleming que puede verse en las figuras siguientes.

Figura 1.2. Regla nemotécnica de Fleming.

Para determinar el sentido de la fem generada, puede usarse la regla de Fleming de la mano derecha. La regla de Fleming de la mano derecha presupone que el campo es fijo y que el conductor se mueve con respecto al campo fijo (de referencia). Puesto que la tensión inducida depende del movimiento relativo entre el conductor y el campo, puede aplicarse en el caso de un conductor fijo y un campo móvil, al suponerse que el conductor se mueve en sentido opuesto.

Figura 1.3. Determinación del sentido de la fem generada.

Puesto que el pulgar de la figura anterior indica la dirección del movimiento relativo hacia arriba solo del conductor. El dedo índice representa el sentido del campo magnético y el dedo medio representa la fem inducida.

1.2.5 LEY DE LENZ.

Figura 1.4. Ley de Lenz.

Los sentidos de la tensión inducida y la corriente que circula por el conductor representados en las figuras anteriores establecen una relación definida con el cambio en la concatenación de flujo que las induce, esta relaciones es la ley de Lenz.

En todos los casos de inducción electromagnética la tensión hará circular en un circuito cerrado una corriente en un sentido tal que su efecto magnético se oponga a la variación que la ha engendrado. Un efecto que se opone a su causa y viceversa. La causa implicada no es necesariamente el movimiento conductor que resulta de una fuerza mecánica sino más bien una variación de la concatenación de flujo. El efecto implicado es una corriente debido a una tensión inducida cuyo campo se opone a la causa.

En 1833 Lenz estableció el efecto electrodinámico de una corriente inducida se opone igualmente a la acción mecánica que la induce. La ley de Lenz está implicado al principio de la conservación de la energía ya que requiere energía mecánica para producir energía eléctrica mediante el efecto electromagnético. Por lo tanto solo se consume energía cuando una fuerza vence una resistencia.

1.2.5.1 FUERZA MAGNÉTICA.

Siempre que un conductor por el que circule corriente esté situado en un campo magnético de manera que un componente de la longitud activa del conductor esté dispuesta perpendicularmente al campo; aparecerá una fuerza electromagnética entre el conductor y el campo.

Por lo tanto si un conductor se introduce en un campo magnético y al mismo se le aplica una tensión de forma que por el conductor circule una corriente se desarrollara una fuerza y el conductor tendera a desplazarse con respecto al campo o viceversa, a esto se le podría denominar acción motor.

1.3 MATERIALES MAGNÉTICOS Y SUS PROPIEDADES.

Los materiales magnéticos comprenden ciertas formas del hierro y sus aleaciones en combinación con el cobalto, níquel, aluminio, etc. Se les conoce como materiales ferromagnéticos.

Material Propiedades

Diamagnético. Un campo magnético externo actuando sobre los átomos de un material desequilibra ligeramente los electrones de los orbitales y crea pequeños dipolos magnéticos en los átomos que se oponen al campo aplicado.

Paramagnético. Se produce por alineación individual de los momentos dipolares magnéticos de los átomos o moléculas bajo la acción de un campo magnético aplicado.

Ferromagnético. Los materiales ferromagnéticos producen campos magnéticos que pueden mantenerse o eliminarse a voluntad.

Tabla 1.1. Materiales magnéticos y sus propiedades.

Los materiales que tienen una permeabilidad magnética relativa, no apreciable mayor que la unidad, son considerados no magnéticos. En los átomos de los materiales no magnéticos del momento angular de los electrones o giro del electrón en una dirección, es compensado completamente por un momento angular igual al del otro electrón pero en sentido opuesto.

En el caso de los materiales con pequeñas regiones completamente magnetizadas llamadas dominios. La aplicación de valores de intensidad de campo magnético, hace que los dominios sufran un desplazamiento de fronteras. La intensidad de campo magnético produce una rápida orientación de los dominios hacia la dirección del campo aplicado.

La permeabilidad es también generalmente diferente para una densidad de campo magnético. Los materiales magnéticos forman una parte indispensable de numerosos aparatos electromagnéticos tales como generadores eléctricos, transformadores de potencia, bobinas de teléfono, relevadores, altoparlantes, etc.

1.3.1 MATERIALES DIAMAGNÉTICOS

Un campo magnético externo actuando sobre los átomos de un material desequilibra ligeramente los electrones de los orbitales y crea pequeños dipolos magnéticos en los átomos que se oponen al campo aplicado. El diamagnetismo produce una susceptibilidad magnética negativa muy débil.

1.5. Efecto en un material diamagnético.

El diamagnetismo ocurre en todos los materiales, pero en muchos el efecto magnético negativo queda cancelado por efectos magnéticos positivos.

1.3.2 MATERIALES PARAMAGNÉTICOS.

Los materiales que presentan una pequeña susceptibilidad magnética positiva por la presencia de un campo magnético se denominan paramagnéticos. Se produce por alineación individual de los momentos dipolares magnéticos de los átomos o moléculas bajo la acción de un campo magnético aplicado.

1.6. Efecto en un material para magnético.

El efecto paramagnético en los materiales desaparece cuando se elimina el campo magnético aplicado. Puesto que la agitación térmica distribuye aleatoriamente la dirección de los dipolos magnéticos, un incremento en la temperatura disminuye el efecto paramagnético.

1.3.3 MATERIALES FERROMAGNÉTICOS.

El diamagnetismo y el paramagnetismo son inducidos por un campo magnético aplicado, y la imantación permanece sólo mientras se mantenga el campo. Un tercer tipo de magnetismo, denominado ferromagnetismo, es de gran importancia en ingeniería. Los materiales ferromagnéticos producen campos magnéticos que pueden mantenerse o eliminarse a voluntad.

1.7. Efecto en un material ferromagnético.

Los elementos ferromagnéticos más importantes son el hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni).

Nomenclatura Ferromagnético.

Fe níquelCo cobalto

Ni aluminio

Tabla 1.2. Materiales ferromagnéticos.

1.4 CIRCUITOS MAGNÉTICOS.

Es posible definir un circuito magnético cuyo comportamiento sea gobernado por ecuaciones análogas, aquellas establecidas para un circuito eléctrico. Con frecuencia, el modelo del circuito magnético se utiliza en el diseño de máquinas y transformadores eléctricos para simplificar el proceso de diseño. En un circuito sencillo existen 3 variables fundamentales las cuales se relacionan entre sí de la siguiente manera, una fuente (V) que genera una corriente (I) a lo largo de una resistencia (Ř). Estas cantidades están dadas por la ley de ohm.

V= I* R

Fórmula 1.2. Ley de ohm

En el circuito eléctrico, el voltaje o la fuerza electromotriz generan el flujo de corriente. Por analogía la cantidad correspondiente en el circuito magnético se denomina fuerza magneto motriz (f.m.m.). La fuerza magneto motriz de un circuito magnético es igual al flujo de corriente aplicado al núcleo. El circuito magnético al igual que la fuente de voltaje en el circuito eléctrico, la fuerza magneto motriz tiene una polaridad asociada a ella. La terminal positiva de la fuente da la fuerza magneto motriz es el terminal donde sale el flujo y la terminal negativa es la terminal donde el flujo retorna a la fuente.

Figura1.8. Comparación de un circuito eléctrico y un circuito magnético.

En un circuito eléctrico un flujo de corriente I. En forma similar, en un circuito magnético, la fuerza magneto motriz aplicada ocasiona un flujo de ɸ, la relación entre la fuerza magneto motriz y el flujo es.

F= ɸ * R

Fórmula 1.3. Relación de la f.m.m. y el flujo.

Dónde:

F es la fuerza magneto motriz del circuito, ɸ es el flujo magneto motriz (f.m.m.) del circuito, R es la reluctancia del circuito. La reluctancia de un circuito magnético es el homólogo de la resistencia del circuito eléctrico.