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Introducción
Esta lección describe la naturaleza del magnetismo y el uso de los
imanes en varios componentes eléctricos para producir y controlar la
electricidad.
Objetivos
Al terminar esta lección, el estudiante podrá:
1. Demostrar sus conocimientos acerca del magnetismo,
seleccionando la respuesta correcta a las preguntas sobre
magnetismo en un examen de escogencia múltiple.
2. Dados una brújula y un equipo de capacitación de sistemas
eléctricos, detectar el flujo de corriente en un circuito
eléctrico.
Material de referencia
Ninguno
Herramientas
Brújula/limaduras de hierro/lámina de vidrio/imán
Equipo de capacitación de circuitos eléctricos, modelo 18002 (ATech)
Lección 2: Magnetismo
Lección 2: Magnetismo
Unidad 1
Lección 2
1-2-2
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
Introducción
El magnetismo es otro tipo de fuerza que produce un flujo de
electrones o corriente. Para estudiar la electricidad es también
necesario un entendimiento básico del magnetismo. El magnetismo
provee un puente entre la energía mecánica y la electricidad. Usando
el magnetismo, un alternador convierte algo de energía mecánica
desarrollada por un motor en fuerza electromotriz (EMF). En la
práctica, el magnetismo hace que un motor de arranque convierta la
energía eléctrica de una batería en energía mecánica para arrancar un
motor.
Naturaleza del magnetismo
Casi todo el equipo eléctrico depende directa o indirectamente del
magnetismo. Aunque hay algunos dispositivos eléctricos que no usan
magnetismo, la mayoría de nuestros sistemas, así como los
conocemos hoy, no existirían sin el uso del magnetismo.
Hay tres tipos básicos de imanes:
Naturales
Manufacturados
Electroimanes
Imanes naturales
En la China se descubrieron los imanes hacia el año 2637 A.C. Los
imanes se usaban en brújulas que fueron llamadas "imanes de
piedra". Los imanes de piedra eran piezas de hierro natural conocido
como magnetita. En vista de que en su estado natural la magnetita
tiene propiedades magnéticas, los imanes de piedra se consideran
“imanes naturales”.
Fig. 1.2.1 Imanes manufacturados
Imanes manufacturados
Generalmente, los imanes manufacturados se producen en forma de
barras de metal que se exponen a campos magnéticos muy fuertes.
Estos imanes reciben algunas veces el nombre de “imanes
artificiales”.
Unidad 1
Lección 2
1-2-3
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
Electroimanes
Oersted, científico nacido en Dinamarca, descubrió una relación entre
el magnetismo y la corriente eléctrica. Oersted encontró que una
corriente eléctrica que fluye a través de un conductor producía un
campo magnético alrededor del conductor.
Campos magnéticos
Un imán tiene dos extremos que atraen fácilmente pedazos de hierro.
Estos extremos se conocen como "polos del imán": polo norte y polo
sur. Al igual que con las cargas eléctricas, en donde las cargas iguales
se repelen y las cargas opuestas se atraen, los polos magnéticos
iguales se repelen y los polos opuestos se atraen.
Un imán atrae un pedazo de hierro, porque existe alguna fuerza
alrededor del imán. Esta fuerza se llama "campo magnético". Aunque
es invisible, podemos ver esta fuerza si usamos limaduras de hierro
sobre una lámina de vidrio o de papel, y colocando un imán en la
parte inferior de la lámina de vidrio. La figura 1.2.2 muestra una
lámina de vidrio sobre un imán en la que se han esparcido limaduras
de hierro. Cuando se golpea ligeramente la lámina de vidrio las
limaduras se moverán en un patrón definido que muestra la fuerza del
campo magnético alrededor del imán.
N
S
Fig. 1.2.2 Campos magnéticos
El campo está formado por líneas de fuerza que parecen salir del
imán en el polo norte, atraviesan el aire alrededor del imán, y
continúan hasta el polo sur formando un bucle cerrado de fuerza.
Mientras más potente sea el imán, más fuertes serán las líneas de
fuerza y mayor el área cubierta por el campo magnético.
Unidad 1
Lección 2
1-2-4
N
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
S
Fig. 1.2.3 Líneas de fuerza
Líneas de fuerza
Para visualizar mejor el campo magnético sin las limaduras de hierro,
el campo magnético se muestra como líneas de fuerza. En la figura
1.2.3. el sentido de las líneas fuera del imán muestra que salen del
polo norte, son repelidas lejos del polo norte y atraídas en el polo sur.
Dentro del imán, que es el generador del campo magnético, las líneas
de fuerza van del polo sur al polo norte.
Líneas de flujo magnético
El grupo completo de las líneas del campo magnético, que puede
considerarse un flujo que sale del polo norte del imán, se llama flujo
magnético. La densidad del flujo es el número de líneas de campo
magnético por unidad de sección perpendicular a la dirección del
flujo. La unidad se define como líneas por pulgada cuadrada en el
sistema inglés, o líneas por centímetro cuadrado en el sistema
métrico. Una línea por centímetro cuadrado se define como un gauss.
Unidad 1
Lección 2
1-2-5
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
Fuerza magnética
Las líneas de fuerza magnética atraviesan todos los materiales. No se
conoce un aislador contra el magnetismo. Sin embargo, las líneas de
flujo pasan más fácilmente a través de materiales que pueden
magnetizarse que a través de aquellos materiales que no pueden
hacerlo. Los materiales por los que no pasan fácilmente las líneas de
flujo se conocen como materiales con "reluctancia magnética alta".
El aire tiene una reluctancia alta; el hierro tiene una reluctancia baja.
Una corriente eléctrica que fluye a través de un cable crea líneas
magnéticas de fuerza alrededor del cable. La figura 1.2.4 muestra
líneas de círculos magnéticos pequeños que se forman alrededor del
cable.
Fig. 1.2.4 Líneas de fuerza magnética
Como estas líneas de flujo son circulares, el campo magnético no
tiene polo norte ni polo sur. Sin embargo, si el cable se enrolla en una
bobina, los campos circulares individuales se fusionan. El resultado
es un campo magnético unificado con polos norte y sur, como se
muestra en la figura 1.2.5.
S
Fig. 1.2.5 Campos circulares
N
Unidad 1
Lección 2
1-2-6
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
A medida que la corriente fluye a través del cable, éste se comporta
como un imán de barra. El campo electromagnético permanece todo
el tiempo que la corriente fluya a través del cable. Sin embargo, el
campo producido en un cable recto no tiene suficiente magnetismo
para realizar un trabajo. Para dar mayor intensidad al campo
electromagnético, el cable puede enrollarse en forma de bobina. La
fuerza magnética de un electroimán es proporcional al número de
vueltas de cable de la bobina y de la corriente que fluye a través del
cable. Cada vez que la corriente eléctrica fluye a través de la bobina
de cable, se crea un campo magnético, o líneas de fuerza, alrededor
de la bobina. Si la bobina se enrolla en un núcleo metálico, como el
hierro, la fuerza magnética aumenta considerablemente.
Relés y solenoides
Los tipos de electroimanes típicos usados en las máquinas Caterpillar
son los relés y los solenoides. Ambos operan con el principio
electromagnético, pero funcionan de modo diferente. Los relés se
usan como interruptores controlados eléctricamente. Un relé consta
de una bobina electromagnética, una serie de contactos y un inducido.
El inducido es un dispositivo móvil que hace que los contactos se
abran y se cierren. La figura 1.2.6 muestra los componentes típicos
de un relé.
I NTERRUPTOR
BATERÍA
M OTOR DE
ARRANQUE
Fig. 1.2.6 Relé simple
Cuando en el circuito de la bobina fluye una pequeña cantidad de
corriente eléctrica, la fuerza electromagnética hace que los contactos
del relé se cierren y proveen un paso de corriente más grande para
operar otro componente, como un motor de arranque.
Unidad 1
Lección 2
1-2-7
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
Un solenoide es otro dispositivo que usa electromagnetismo. Igual
que el relé, el solenoide también tiene una bobina. La figura 1.2.7
muestra un solenoide típico. Cuando la corriente pasa a través de la
bobina, el electromagnetismo empuja o saca el núcleo de la bobina,
lo cual crea un movimiento lineal, o movimientos hacia atrás y hacia
adelante. Los solenoides se usan para conectar los motores de
arranque o para el control de las velocidades en una transmisión
automática.
MOTOR
DE ARRANQUE
BATERÍA
CONTACTO
INTERRUPTOR
Fig. 1.2.7 Solenoide simple de motor de arranque
En este punto, realice la práctica de taller 1.2.1.
Unidad 1
Lección 2
1-2-8
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
M OVI M I ENTO
DEL CONDUCTOR
M OVI M I ENTO
DEL CONDUCTOR
EL VOLTÍ M ETRO
LEE VOLTAJE
Fig. 1.2.8 Inducción electromagnética
Inducción electromagnética
El efecto de crear un campo magnético con corriente tiene una
condición opuesta. También se puede producir corriente con un
campo magnético induciendo un voltaje en el conductor. Este proceso
se conoce como "inducción electromagnética". Ocurre cuando las
líneas de flujo de un campo magnético cortan transversalmente un
cable (o cualquier conductor). No importa si el campo magnético o el
cable se mueven. Cuando hay un movimiento relativo entre el cable y
el campo magnético, en el conductor se induce un voltaje. El voltaje
inducido hace que la corriente fluya. Cuando el movimiento se
detiene, la corriente deja de fluir.
Si se pasa un cable a través de un campo magnético, por ejemplo, un
cable que se mueve a través de los campos magnéticos de un imán en
forma de herradura, se induce el voltaje. Si el cable está enrollado en
una bobina, se refuerza el voltaje inducido. Este método es el
principio de funcionamiento usado en sensores de velocidad,
generadores y alternadores. En algunos casos el cable es estacionario
y el imán se mueve. En otros casos el imán es estacionario y los
devanados de campo se mueven.
El movimiento en el sentido opuesto hace que la corriente fluya en
sentido contrario. Por tanto, un movimiento hacia atrás y hacia
adelante produce un voltaje CA (corriente).
En aplicaciones prácticas, los conductores múltiples están enrollados
en la bobina. Esto concentra el efecto de la inducción
electromagnética y hace posible generar una potencia eléctrica útil
con un dispositivo relativamente compacto. En un generador, la
bobina se mueve y el campo magnético es estacionario. En un
alternador, el imán gira dentro de una bobina estacionaria.
Unidad 1
Lección 2
1-2-9
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
La fuerza del voltaje inducido depende de varios factores:
• La fuerza del campo magnético.
• La velocidad del movimiento relativo entre el campo y la bobina.
• El número de conductores de la bobina.
Modos de inducción
Hay tres modos de inducir un voltaje de manera electromagnética:
• Voltaje generado.
• Autoinducción.
• Inducción mutua.
Voltaje generado
Un generador simple CC (figura 1.2.9) muestra un conductor en
movimiento que pasa por un campo magnético estacionario para
producir voltaje y corriente. Un bucle simple de cable gira entre los
polos norte y sur de un campo magnético.
Fig. 1.2.9 Generador CC
Unidad 1
Lección 2
1-2-10
Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
Autoinducción
La autoinducción ocurre en un cable que transporta corriente cuando
cambia la corriente que fluye a través del cable. Debido a que la
corriente fluye a través del conductor, en cada cambio de corriente se
crea y se colapsa un campo magnético alrededor del cable, lo que
induce así un voltaje en el conductor. La figura 1.2.10 muestra la
autoinducción en una bobina.
CORRIENTE
QUE CAMBIA
VOLTAJE INDUCIDO
CAMPO MAGNÉTICO
QUE CAMBIA
Fig. 1.2.10 Autoinducción
Inducción mutua
La inducción mutua ocurre cuando el cambio de corriente en una
bobina induce un voltaje en una bobina adyacente. Un transformador
es un ejemplo de inducción mutua. La figura 1.2.11 muestra dos
inductores cerca uno del otro. Cuando una corriente CA fluye a
través de la bobina L1, un campo magnético atraviesa la bobina L2,
lo que induce un voltaje y por tanto produce flujo de corriente en la
bobina L2.
L1
L2
V
EL VOLTÍMETRO MIDE
EL VOLTAJE INDUCIDO
CAMPO MAGNÉTICO DEL INDUCTOR L1
Fig. 1.2.11 Inducción mutua
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Fundamentos de los Sistemas Eléctricos
Nombre _______________________________
BRÚJULA DETECTORA DE CORRIENTE
PRÁCTICA DE TALLER 1.2.1:
LUZ DE
ESTACIONAMIENTO
FUSIBLE INTERRUPTOR
(10A)
N
O
E
S
CONECTADO
12V
DESCONECTADO
Submontaje
Submontaje
Fig. 1.2.12 Brújula
Objetivo de la práctica: Demostrar el flujo de corriente de un circuito eléctrico usando el equipo de
capacitación en circuitos eléctricos, componentes eléctricos y una brújula.
NOTA: Asegúrese de que la energía eléctrica esté DESCONECTADA antes de proceder con las
conexiones.
Indicaciones: Realice los siguientes pasos y responda las preguntas
Paso 1: Ubique los submontajes de fusible, el interruptor de dos posiciones y de la lámpara
en el compartimiento de componentes del equipo de capacitación.
Paso 2: Monte los componentes en el equipo de capacitación, como se muestra en la figura.
Paso 3: Conecte los cables como se muestra en la figura.
Paso 4: CONECTE el equipo de capacitación.
Indicaciones: Complete las siguientes preguntas.
1. ¿Se enciende la lámpara cuando se conecta el interruptor?
2. ¿Fluye corriente en el circuito?
3. Mantenga la brújula lejos del circuito eléctrico. ¿Qué señala la aguja de la brújula?
___
4. Sitúe la brújula cerca del circuito eléctrico. ¿Qué señala la aguja de la brújula? _____________
______________________________
5. DESCONECTE y luego CONECTE el circuito. Explique los resultados. _________________
Copia del Estudiante: Práctica de Taller 1.2.1
Unidad 1
Copia del Estudiante: Práctica de Taller 1.2.1
NOTAS