Conversión de Energía Electromecánica

Unidad 1: Interacción entre sistemas eléctricos y magnéticos

Ing. Oscar Alonso Rosete Beas

Semana 17 Agosto Rev:2 ciclo 2020-2

 

Agenda

1.1. Aplicaciones de las máquinas de inducción
1.2. Ley de la inducción de Faraday
1.3. Ley de mallas de Kirchhoff
1.4. Ley del circuito del campo magnético (Ley de Ampere)
1.5. Fuerzas sobre conductores en un campo magnético (Ley de Biot-Savart)

Unidad 1: Interacción entre sistemas eléctricos y magnéticos

Unidad 1

Unidad 1: Interacción entre sistemas eléctricos y magnéticos

Conductores

Son aquellos materiales que contienen electrones que pueden moverse libremente de un punto a otro si le conectamos una fuente de tension.

Entre los conductores se encuentran los metales, el agua salada,etc.

Sistemas eléctricos

Aislantes

Los aislantes son materiales donde los electrones no pueden circular libremente, por ejemplo la cerámica, el vidrio, plásticos en general, etc.

Semiconductores

Presentan propiedades eléctricas que están entre los conductores y los aislantes. se utilizan principalmente como elementos de los circuitos electrónicos.

Sistemas eléctricos

Materiales eléctricos

 

Conductores: Cobre, Aluminio, Hierro...

Aislantes: Plástico, Aire...

¿Qué parámetro eléctrico lo define?

Sistemas eléctricos

La conductividad eléctrica (símbolo σ) es la medida de la capacidad de un material o sustancia para dejar pasar la corriente eléctrica a través de él.

 

Sistemas eléctricos

Sistemas eléctricos

Sistemas eléctricos

El motivo del uso del oro en el proceso de fabricación de chips y conectores, es que este material a diferencia de otros tiene una propiedad que lo hace no reactivo al oxígeno, por lo cual ni se oxida o empaña como le puede pasar a la plata.

 

Como veíamos en las tablas, el cobre y la plata son mejores conductores y más baratos pero al oxidarse con el tiempo pierden propiedades e incluso necesitarían un mantenimiento para su limpieza y en casos más avanzados de oxidación su reparación o substitución.

Sistemas eléctricos

Introducción al magnetismo

Unidad 1: Interacción entre sistemas eléctricos y magnéticos

Materiales magnéticos

En física se le denomina permeabilidad magnética a la capacidad que tienen los materiales, medios o sustancias de afectar y ser afectados por los campos magnéticos, así como la capacidad de convertirse en fuentes de estos, es decir, capacidad para crearlos sin la necesidad de corrientes externas.

 

Materiales magnéticos

Esta magnitud está definida por la relación entre la inducción magnética (también llamada densidad de flujo magnético) y la excitación magnética que estén incidiendo en el interior del material, y es representada por el símbolo μ:

 

Sistemas magnéticos

Materiales magnéticos

Forma alterna de expresar la permeabilidad magnética:

Sistemas magnéticos

Materiales ferromagnéticos

Los materiales ferromagnéticos comprenden un pequeño grupo de sustancias que se encuentran en la naturaleza que, cuando se colocan en presencia de un campo magnético, se imantan fuertemente, y el campo magnético de ellos es muchas veces mayor que el campo que fue aplicado. μr>>1

Sistemas magnéticos

Materiales ferromagnéticos

μr>>1

¿Cómo se obtiene el hierro mineral?
Utiliza un separador magnético

Sistemas magnéticos

Materiales paramagnéticos

Materiales paramagnéticos son los que tienen valores para "µr" ligeramente mayores que la unidad (por ejemplo, 1.000021 para el aluminio sólido).

( μr≳1) (muy poco atraídos)

Sistemas magnéticos

Materiales diamagnéticos

Los materiales llamados diamagnéticos, son aquellos que al entrar en contacto con un campo magnético no responden a una atracción, sino que se repelen; son lo contrario a los materiales ferromagnéticos

( μr≲1) (muy poca repulsión)

Sistemas magnéticos

Materiales diamagnéticos

( μr≲1) (muy poca repulsión)

Sistemas magnéticos

Analogías hidráulica y electricidad

- Voltaje --> Presión

-Corriente eléctrica --> Corriente de agua

-Resistencia eléctrica --> Resistance Hidráulica

Analogías electricidad y magnetismo

Los circuitos magnéticos son análogos a los circuitos eléctricos

Analogías electricidad y magnetismo

Materiales conductores 

 

Circuitos Eléctricos:
- Cobre
- Aluminio

Circuitos Magnéticos:
- Hierro
- Acero Eléctrico

Analogías electricidad y magnetismo

Materiales aislantes

 

Circuitos Eléctricos:
- Aire
- Plásticos

Circuitos Magnéticos:
- Aire
- Cobre
- Aluminio

Analogías electricidad y magnetismo

Conductividad vs aire

Circuitos Eléctricos:

Cobre es 10^22 veces más conductivo.

Cobre es 10^7 veces más conductivo que el agua de mar.

Circuitos Magnéticos:

El hierro es solo 3000 veces más "permeable" que el aire. Por lo tanto el aire es un elemento de circuitos magnéticos.

Introducción al magnetismo

Conceptos previos

En los equipos previamente formados, debatan al respecto y lleguen a una definición conjunta a las preguntas:

 

1. Flujo magnético
2. Densidad de flujo magnético
3. Reluctancia
4. Permeabilidad
5. Fuerza magnetomotriz
6. Intensidad del campo magnético

 

 

 

Conceptos previos

Densidad de flujo magnético:

Es la cantidad de flujo por unidad de área. Se representa por la letra B, y se mide en wb/m^2.

Fuerza magnetomotriz:

Se representa por Fmm y es la fuerza necesaria para establecer un flujo magnético a través de un circuito magnético.

Reluctancia:

Es la oposición que presenta un material magnético al paso de las líneas de flujo.

 

La permeabilidad relativa se compara con respecto a la permeabilidad del aire.

Ley de Ohm

Ejercicio

Una estructura magnética tipo núcleo tiene una longitud de 40 cm. Su sección transversal es de 12cm2 y la permeabilidad relativa Mr=4200, con una bobina de 2000 vueltas de alambre, tal como se muestra en el dibujo.

a) Dibuje el circuito magnético equivalente de la estructura.

b)Encuentre el valor de la reluctancia R del circuito.

c) Encuentre el valor de la Fmm si por la bobina circulan 5 A.

d) Encuentre el valor del flujo magnético.

e) Encuentre la densidad de flujo B en la estructura.

Circuitos equivalentes

Ejercicio alumno 1

Una estructura magnética tipo núcleo tiene una longitud de 500 mm su sección transversal es de 2500mm2 y la permeabilidad relativa Mr=4000, con una bobina de 1200 vueltas de alambre, tal como se muestra en el dibujo.

a) Dibuje el circuito magnético equivalente de la estructura.

b)Encuentre el valor de la reluctancia R del circuito.

c) Encuentre el valor de la Fmm si por la bobina circulan 3A.

d) Encuentre el valor del flujo magnético.

e) Encuentre la densidad de flujo B en la estructura.

Ejercicio alumno 2

Recalcule la reactancia considerando un entrehierro(air-gap) de 3mm, asumiendo la permeabilidad relativa del aire es de 1.

Introducción a conversión

En los equipos previamente formados, debatan al respecto y lleguen a una respuesta conjunta a las preguntas:

 

1. ¿Qué aplicaciones se les puede dar a los materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y a los diamagnéticos?

 

 

Timer

Agenda

1.1. Aplicaciones de las máquinas de inducción
1.2. Ley de la inducción de Faraday
1.3. Ley de mallas de Kirchhoff
1.4. Ley del circuito del campo magnético (Ley de Ampere)
1.5. Fuerzas sobre conductores en un campo magnético (Ley de Biot-Savart)

Unidad 1: Interacción entre sistemas eléctricos y magnéticos

Repaso

La induccion electromagnética

Si un alambre conductor se mueve dentro de un campo magnético, de manera que el conductor corte las líneas de dicho campo, se origina una fuerza electromotriz, producida por tal conductor. Induciendo la fuerza electromotriz mediante un movimiento relativo entre el conductor y un campo magnético, se presenta lo que se conoce como: "La induccion electromagnética"

Repaso

La induccion electromagnética

Si una seccion de conductor se mueve a traves de las lineas de fuerza magnetica, de manera que el alambre cruce o corte la trayectoria del flujo, se inducira un voltaje en este conductor. si se instala un medidor suficientemente sensible, se observara que circula la corriente cada vez que el conductor se mueva a traves de las lineas de fuerza.

1.2. Ley de la inducción de Faraday

En 1831, Joseph Faraday hizo uno de los mas importantes descubrimientos en Electromagnetismo, que en la actualidad se conoce como: "La Ley de Inducción Electromagnética de Faraday", que relaciona fundamentalmente el voltaje y el flujo en el circuito. Esta ley se enuncia en los puntos siguientes:

• Si se tiene un flujo magnetico que eslabona a una espira, y, ademas varia con el tiempo, se induce un voltaje entre terminales.
• El valor de voltaje inducido es proporcional al indice del cambio de flujo.

1.2. Ley de la inducción de Faraday

La induccion electromagnética

Por definición y de acuerdo al sistema internacional de unidades, cuando el flujo dentro de la espira varia 1 Weber por segundo, se induce un voltaje de 1 volt entre sus terminales; en consecuencia si un flujo varia dentro de una bobina de N espiras, el voltaje inducido se da por la expresion:

1.2. Ley de la inducción de Faraday

La induccion electromagnética

El  voltaje inducido se da por la expresion:

 

 

 

 

 

 

La ley de Faraday, establece las bases para las aplicaciones practicas en el estudio de transformadores, generadores y motores de corriente alterna.

Ejercicios repaso

1.3. Ley de mallas de Kirchhoff

Ejemplo aplicación

10^3

=1000

Ejercicio alumnos

10^3

=1000

Ejercicio alumnos

10^3

=1000