Electromagnetismo: Apuntes para Ingeniería Civil, Diapositivas de Electrónica

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ELECTROTÉCNIA

APLICADA

3ER AÑO DE INGENIERÍA CIVIL

• TEMA: ELECTROMAGNETISMO

• (^) El magnetismo o energía magnética es un fenómeno físico por el cual

los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.

La mayor parte de los aparatos eléctricos dependen directa o indirectamente

del magnetismo. Sin él, el mundo eléctrico que hoy conocemos no existiría.

Breve explicación del magnetismo

Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán. Ordinariamente, innumerables

electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones,

pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección,

creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de

electrones que estén orientados.

Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar

también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor

del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que

circula por una bobina. De nuevo, en general el movimiento de los electrones no da

lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones los

movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible.

El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y,

particularmente, de la configuración electrónica.

El electromagnetismo tiene sus inicios en los chinos a principios del año

2000 a.C. Otra parte de la historia se remonta a los antiguos griegos que

observaron los fenómenos eléctricos y magnéticos posiblemente en el año

700 a.C. Descubrieron que un pedazo de ámbar frotado se electrificaba y

era capaz de atraer trozos de paja o plumas.

La existencia de la fuerza magnética se conocía al observar que pedazos

de roca natural llamada magnetita (Fe3O4) atraen el Hierro. (La palabra

eléctrico proviene del vocablo griego para el ámbar).

En 1600, Wiliam Gilbert descubre que la electrificación no estaba limitada

al ambarsino, que éste era un fenómeno general. Así, científicos

electrificaron una variedad de objetos, incluyendo gallinas y

personas. Experimentos realizados por Charles Coulomb en 1785

confirmaron la Ley inversa del Cuadrado para la electricidad.

Hasta principios del siglo XIX los científicos establecieron que la

electricidad y el magnetismo son, en efecto, fenómenos realizados en

1820. Hans Oersted descubre que una brújula se reflecta cuando se coloca

cerca de un circuito que lleve corriente eléctrica.

En 1831, Michael Faraday y Joseph Heary, demuestran que, cuando un magneto o un imán (o de manera equivalente cuando al magneto se mueve cerca de un alambre), se observa una corriente eléctrica en el alambre. En 1873, James Clero Maxwell usa estas observaciones y otros factores experimentales como base, y formula leyes del electromagnetismo que se conocen actualmente. Poco tiempo después (alrededor de 1878), Henrich Hertz verifica las predicciones de Maxwell produciendo ondas electromagnéticas en el laboratorio. Esto fue seguido por desarrollos prácticos como la radio, la televisión. Las contribuciones de Maxwell a la ciencia del electromagnetismo fueron especialmente significativas debido a que las leyes formuladas por el son básicas para todas las formas de los fenómenos los electromagnéticos. Su trabajo es comparable en la importancia del descubrimiento de newton con sus leyes del movimiento y la teoría de la gravitación.

Donde Q es la carga eléctrica de la partícula, V es el vector velocidad de la partícula y B es el campo magnético. Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza es perpendicular al movimiento de la partícula y al campo magnético. La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, cambia la dirección del movimiento de ésta, pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La magnitud de la fuerza es : F Q. V. B. Sen α ; donde α es el ángulo entre los vectores V y B. Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en movimiento, es siguiendo la ley de la mano derecha. El físico alemán Heinrich Lenz formuló lo que ahora se denomina la ley de Lenz, ésta da una dirección de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción electromagnética. 

FLUJO MAGNÉTICO El flujo magnético (representado por la letra griega fi Φ ), es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO Es el flujo magnético por unidad de área de una sección perpendicular a la dirección del flujo. B = Densidad de Flujo Magnético. Φ = Flujo Magnético. A = Área.

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.

El efecto de saturación se puede observar más claramente en la curva de magnetización (también llamada curva BH o curva de histéresis) de una sustancia, en concreto en la región superior derecha de la curva. Mientras que el campo H se incrementa, el campo B se aproxima a un valor máximo de manera asintótica. Este valor al cual tiende asintóticamente el campo B es el nivel de saturación de esa sustancia. Estrictamente hablando, por sobre el nivel de saturación, el campo B continúa aumentando pero de manera paramagnética, la cual es tres órdenes de magnitud más pequeña que la tasa de aumento ferromagnética observada por debajo del nivel de saturación. La relación entre el campo de magnetización H y el campo magnético B también puede expresarse en términos de permeabilidad magnética: μ = B / H o en términos de permeabilidad relativa μr = μ / μ0, donde μ0 es la permeabilidad magnética del vacío. La permeabilidad de los materiales ferromagnéticos no es constante, sino que depende de H. En los materiales saturables la permeabilidad relativa se incrementa con H hasta un máximo, y luego mientras el material se aproxima a saturación, el efecto se invierte y la curva decrece hasta uno.

HISTÉRESIS

La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de

sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. Podemos

encontrar diferentes manifestaciones de este fenómeno. Por extensión

se aplica a fenómenos que no dependen sólo de las circunstancias

actuales, sino también de cómo se ha llegado a esas circunstancias.

CIRCUITOS MAGNÉTICOS Estos pueden compararse con una corriente eléctrica en la que una FEM produce un flujo de corriente. En un circuito magnético sencillo, el número de ampere-vueltas de la fuerza magnetomotriz produce el flujo magnético. Por consiguiente, la FMM se compara con la FEM o el voltaje y el flujo se compara con la corriente. La oposición a la producción de flujo en un material se llama “reluctancia” que corresponde a la resistencia.  (^) La reluctancia magnética de un material o circuito magnético es la resistencia que este posee al paso de un flujo magnético cuando es influenciado por un campo magnético. Se define como la relación entre la fuerza magnetomotriz ( f.m.m. ) y el flujo magnético. Rn = Reluctancia F = Fuerza Magnetomotriz Ø = Flujo Magnético N = Número de Espiras I = Corriente L = Longitud de la bobina μ = Permeabilidad del material magnético S = Área de la sección transversal de la bobina

FARADAY-LENZ, LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y LA FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. Este fenómeno es justamente el contrario al que descubrió Oersted, ya que es la existencia de un campo magnético lo que nos producirá corrientes eléctricas. Además, la corriente eléctrica incrementa en aumentar la rapidez con la que se producen las variaciones de flujo magnético. Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la Ley de Faraday-Lenz. Basado en el principio de conservación de la energía, Michael Faraday pensaba que si una corriente eléctrica era capaz de generar un campo magnético, entonces un campo magnético debía también producir una corriente eléctrica. En 1831 Faraday llevó a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenómeno de inducción electromagnética. Descubrió que, moviendo un imán a través de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente eléctrica, llamada corriente inducida. Además, esta corriente también aparecía al mover el alambre sobre el mismo imán quieto.

UNIDADES DEL SISTEMA INTERNACIONAL (SI) APLICADAS EN EL TEMA  TESLA [T] = UNIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO.  WEBER [WB] = UNIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO.  AMPERE [A] = UNIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA.  COULOMB [C] = UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA.  VOLT [V] = UNIDAD DE VOLTAJE, FEM Y POTENCIAL ELÉCTRICO.  OHM [Ω] = UNIDAD DE RESISTENCIA.] = UNIDAD DE RESISTENCIA.  VATIO [W] = UNIDAD DE POTENCIA.  HERTZ [HZ] = UNIDAD DE FRECUENCIA.  HENRIO [H] = UNIDAD DE INDUCTANCIA.  AMPERE-VUELTAS = UNIDAD DE FUERZA MAGNETOMOTRIZ.