Download Descargar archivo - Biblioteca del CENBA

5. __________________________FRENO ELECTROMAGNETICO________________
Fundamento teórico: El freno magnético está basado en la ley de Faraday. Ésta nos
dice que cuando el flujo del campo magnético a través de una superficie cambia con el
tiempo, bien porque el campo magnético cambia, porque lo hace la superficie o la
posición relativa de ambos, surge una fuerza electromotriz inducida.
Dicha Fuerza electromotriz hace que aparezca una corriente que se denomina corriente
inducida.
Cuando esta corriente inducida, no está obligada a circula por un conductor bien definido,
sino que lo hace por una masa de metal de volumen no despreciable, estás corrientes
reciben el nombre de corrientes parásitas o de Foucault.
Por otro lado, también es conocido que, cuando una carga o un conjunto de cargas, que
dan lugar a una corriente, atraviesan una zona del espacio en al que existe un campo
magnético, sobre las cargas que se están moviendo aparece una fuerza magnética que
comienza a actuar sobre dichas cargas.
En el en el caso del freno magnético de nuestra experiencia, la masa conductora es un
disco de aluminio que gira de modo que en cada instante hay una porción del disco
atravesando una zona donde existe un campo magnético perpendicular al plano del
disco, que en nuestro caso es generado por dos bobinas por las que circula una corriente
continua que actúan como electroimanes. Como la superficie del disco que atraviesa la
zona del espacio donde está actuado el campo magnético está cambiando con el tiempo,
se produce la aparición de unas corrientes parásitas en el disco de aluminio. Las
corrientes que aparecen se encuentran con la presencia del campo magnético generado
por los electroimanes, de modo que aparece una fuerza de carácter magnético que, en
esta ocasión, lo que hace es oponerse a la rotación del disco, frenándolo. Este es el
principio físico en el que se basan todos los frenos electromagnéticos existentes en el
mercado.
Materiales y montaje
• Generador de corriente continua
• Dos bobinas de cobre
• Dos entrehierros para concentrar el campo
• Disco metálico
• Muelle
1-Se conecta el generador de corriente continua con las dos bobinas en cuyo interior
se introducen unos entrehierros para concentrar el campo.
2-Se hace pasar una parte del disco metálico, al que previamente se ha unido por su
parte inferior a un muelle, por el espacio que ha quedado libre ente las dos bobinas.
3-Se da vueltas al disco unido al muelle y se suelta para que pueda girar libremente.
4- Se enciende el generador de corriente siempre que se desee detener el disco.
_____________________BOBINA DE TESLA___________________________
Teoría Básica:
Una bobina de Tesla es un tipo de transformador resonante que produce altas
tensiones de elevadas frecuencias (radiofrecuencias), desarrollado en 1891. Las
bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes
acoplados.
La bobina Tesla funciona de la siguiente manera: El transformador T1 carga al
capacitor C1 y se establece una alta tensión entre sus placas. El voltaje tan elevado
es capaz de romper la resistencia del aire, y hace saltar una chispa entre las
terminales del explosor EX. La chispa descarga al capacitor C1 a través de la bobina
primaria L1 (con pocas espiras) y establece una corriente oscilante. Enseguida el
capacitor C1 se carga nuevamente y repite el proceso. Así resulta un circuito
oscilatorio de radio frecuencia al que llamaremos circuito primario. La energía que
produce el circuito primario se induce en la bobina secundaria L2 (con MUCHAS
vueltas). El circuito secundario se forma con la inductancia de la bobina L2 y la
pequeña capacidad distribuida en ella misma, diseñado de modo que el circuito
secundario oscila a la misma frecuencia que el circuito primario, entrando en
resonancia. Finalmente, el circuito secundario produce ondas electromagnéticas de
muy alta frecuencia y voltajes muy elevados. Estas se propagan en el medio ionizando
las moléculas del aire, convirtiéndolo en trasmisor de corriente eléctrica.
______________________TRANSFORMADOR___________________________
El dispositivo que permite modificar la ddp de una corriente alterna se conoce con el
nombre de «transformador».
Un transformador elemental está constituido por un núcleo ferromagnético con dos
bobinas de n1 y n2 espiras respectivamente. Una de estos bobinas se conecta a la
corriente cuya d.d.p. quiere modificarse y se denomina «primaria», mientras que la
otra es la salida de la corriente transformada y se denomina «secundaria». Según sea
el número de espiras de la primaria mayor o menor que el número de espiras del
secundaria, el transformador actuará como reductor o elevador de la tensión.
Supongamos que la bobina primaria, que posee n1 espiras, se conecta a un
generador de corriente alterna que proporciona cierta f.e.m. Esta f.e.m. hace que en
los extremos de la bobina, cuya resistencia es despreciable, exista una d.d.p. alterna
V1 de igual valor que la f.e.m. del generador, por lo que circulará una corriente i1 por
dicha bobina. Esta corriente alterna origina un campo magnético variable en el núcleo
de hierro, verificándose, de acuerdo con la ley de Lenz-Faraday: 1=V1=−n1 ⋅ d /dt
siendo d/dt la variación de flujo del campo magnético con el tiempo, a través de una
espira. Dicho campo magnético está prácticamente confinado al núcleo
ferromagnético; podemos aceptar que todas las líneas de campo que atraviesan las
n1 espiras, también atraviesan las n2 del otro arrollamiento. Por tanto, en éste se
inducirá una corriente, cuya f.e.m. vendrá dada por la ley de Lenz-Faraday: 2=−n2 ⋅
d/ dt Si la resistencia de la bobina n2 es despreciable, esta f.e.m. origina en los
extremos de n2 una d.d.p V2, tal que: V2=−n2 ⋅ dflujo/ dt
Dividiendo las expresiones obtenidas para V1 y V2, resulta: V1/V2 = n1/n2 de modo
que si n1 > n2 entonces V1 > V2 y el transformador reduce la tensión. Si n1 < n2,
entonces V2 > V1 y el transformador eleva la tensión. Admitiendo que prácticamente
no hay pérdidas energéticas en el proceso la potencia en el primario será la misma
que en el secundario; es decir:
P1=i1⋅V1 P2=i2⋅V2
Igualando ambas expresiones, resulta:
i1 /i2 = V2/ V1 = n2/ n1
de modo que si n1 > n2, entonces I2 > I1, y si n1 < n2, I2 < I1. Observa, por tanto, que
el transformador eleva la ddp, reduciendo el valor de la intensidad y viceversa; ello
permite reducir las pérdidas que se producen en el transporte de energía, tal como
afirmábamos al principio. Los generadores de corriente alterna de las centrales
eléctricas suelen producir corrientes eléctricas cuya d.d.p. es de algunos miles de
voltios. Esta tensión se eleva, mediante transformadores, hasta que alcanza valores
del orden de centenares de miles de voltios para ser transportadas por las líneas de
alta tensión. Una vez en el lugar del consumo, se reduce la tensión, utilizando
nuevamente transformadores, hasta que alcanza los valores que se utilizan
habitualmente.
__________________________AUTOINDUCCIÓN_____________________
La autoinducción es una influencia que ejerce un sistema físico sobre sí mismo a
través de campos electromagnéticos variables.
Cuando por un circuito circula una corriente eléctrica, alrededor se crea un campo
magnético. Si varía la corriente, dicho campo también varía y, según la ley de
inducción electromagnética de Faraday, en el circuito se produce una fuerza
electromotriz o voltaje inducido, denominado fuerza electromotriz autoinducida.
___________________________LEVITACIÓN________________________
Llamamos levitación magnética al fenómeno por el cual un material puede levitar
gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a
lo que se conoce como “Efecto Meissner”, que explicaremos más adelante, que es
una propiedad inherente a los superconductores.
La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por
debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente;
es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estas
condiciones de temperatura son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún
tipo de pérdidas, y además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo
magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad.
Cuando se acerca un imán a un superconductor, el superconductor se convierte en un
imán de polaridad contraria de modo que “sujeta” al otro imán sobre él. Pero, al
contrario que un imán normal (que haría que el otro imán se diera la vuelta y se
quedase pegado a él), un superconductor cambia el campo magnético cuando el
exterior lo hace, compensándolo, de modo que es capaz de mantener el otro imán fijo
en el aire. Se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de
contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. De hecho, si se
aleja el imán del superconductor una vez está cerca, éste cambia de polaridad y lo
atrae lo suficiente para mantenerse a la misma distancia. Por tanto un objeto estará
bajo levitación magnética cuando la fuerza generada por la repulsión electromagnética
es lo suficientemente fuerte para equilibrar el peso del objeto.
______________________CHISPAS TREPADORAS_____________________
Experimento de gran impacto visual que muestra la ascensión de un arco de descarga
entre dos varillas metálicas divergentes entre sí. Estas varillas metálicas están dentro
de un cilindro de material aislante acrílico. Una de las varillas se puede ajustar
horizontalmente para juntar ambas varillas lo necesario para iniciar el arco eléctrico.
Para generar la alta tensión, se suministra un transformador desmontable con núcleo
laminado, bobina principal de 600 vueltas conectable a 220 VCA y bobina secundaria
de 24000 vueltas que es la que se conecta a las dos varillas mediante cables de
seguridad incluidos.
____________________MOTOR CORRIENTE CONTINUA_______________
El motor de corriente continua es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en
mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción que se genera del
campo magnético.
Una máquina de corriente continua se compone principalmente de dos partes. El
estator da soporte mecánico al aparato y contiene los polos principales de la máquina,
que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre un
núcleo ferromagnético. El rotor es generalmente de forma cuadrada, también
devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas.
La función del conmutador es permitir el cambio constante de polaridad de la corriente
en la bobina del electroimán del rotor para que sus polos cambien constantemente.
Este cambio ocurre cada vez que el electroimán gira media vuelta y pasa por la zona
neutra, momento en que sus polos cambian para que se pueda mantener el rechazo
que proporciona el imán permanente. Esto permitirá que el electroimán del rotor se
mantenga girando constantemente durante todo el tiempo que la batería o fuente de
fuerza electromotriz (F.E.M.) se mantenga conectada al circuito del motor,
suministrándole corriente eléctrica.
_______________________GENERADORES_________________________
Un generador es un dispositivo eléctrico rotativo que transforma energía mecánica en
energía eléctrica. Lo consigue gracias a la interacción de los dos elementos
principales que lo componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se
denomina estátor.
Cuando un generador eléctrico está en funcionamiento, una de las dos partes genera
un flujo magnético (actúa como inductor) para que el otro lo transforme en electricidad
(actúa como inducido).
Los generadores eléctricos se diferencian según el tipo de corriente que producen.
Así, nos encontramos con dos grandres grupos de máquinas eléctricas rotativas: los
alternadores y las dinamos.
Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. El elemento inductor es el
rotor y el inducido el estátor. Las dinamos generan electricidad en corriente continua.
El elemento inductor es el estátor y el inducido el rotor. Un ejemplo lo encotraríamos
en la luz que tiene una bicicleta, la cual funciona a través del pedaleo.
El disco de Faraday consiste en un imán en forma de U, con un disco de cobre de
doce pulgadas de diámetro y 1/5 de pulgas de espesor en medio colocado sobre un
eje, que está girando, dentro de un potente electroimán. Al colocar una banda
conductora rozando el exterior del disco y otra banda sobre el eje, comprobó con un
galvanómetro que se producía electricidad mediante imanes permanentes. Fue el
comienzo de las modernas dinamos Es decir, generadores eléctricos que funcionan
por medio de un campo magnético.
Como se observa en el capítulo de electromagnetismo, cuando dentro de un campo
magnético tenemos una espira por donde circula una corriente eléctrica aparecen un
par de fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su eje. De esta misma
manera, si dentro de un campo magnético introducimos una espira y la hacemos girar
provocaremos la corriente inducida. Esta corriente inducida es la responsable de la
f.e.m. y será variable en función de la posición de la espira y el campo magnético.
La cantidad de corriente inducida o f.e.m. dependerá de la cantidad de flujo magnético
(también llamado líneas) que la espira pueda cortar, cuanto mayor sea el número,
mayor variación de flujo generara y por lo tanto mayor fuerza electromotriz..
Se observa los dos casos más extremos, cuando la espira está situada a 0º o 180º y
no corta líneas, y cuando está a 90º y 270º y las corta todas
Al hacer girar la espira dentro del imán conseguiremos una tensión que variará en
función del tiempo. Esta tensión tendrá una forma alterna, puesto que de 180º a 360º
los polos estarán invertidos y el valor de la tensión será negativo.
El principio de funcionamiento del alternador y de la dinamo se basa en que el
alternador mantiene la corriente alterna mientras la dinamo convierte la corriente
alterna en corriente continua.
Producción de una corriente alterna
La corriente alterna se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el
tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus
dos polos eléctricos, convirtiendo el positivo en negativo y viceversa, muchas veces
por segundo.
La ley de Faraday establece que se induce una fuerza electromotriz en un circuito
eléctrico siempre que varíe el flujo magnético que lo atraviesa.
O sea éste puede variar porque varíe el área S limitada por el conductor, porque varíe
la intensidad del campo magnético B o porque varíe la orientación entre ambos dada
por el ángulo omega .En las primeras experiencias de Faraday las corrientes
inducidas se conseguían variando el campo magnético B ; también es posible
provocar el fenómeno de la inducción sin desplazar el imán ni modificar la corriente
que pasa por la bobina, haciendo girar ésta en torno a un eje dentro del campo
magnético debido a un imán. En tal caso el flujo magnético FB varía porque varía el
ángulo omega.
Como la espira esta girando, el ángulo omega varía continuamente, lo cual hace que
el flujo este cambiando, y por lo tanto aparece una fem inducida.
Si se hace rotar la espira uniformemente, ese movimiento de rotación periódico da
lugar a una variación también periódica del flujo magnético.
Vemos a continuación otro tipo de conexión distinta de la espira con el exterior, las
escobillas hacen contacto con las mitades de un conmutador de anillo partido.
Durante una primera parte de la rotación el voltaje de salida de la bobina corresponde
a la parte positiva de un ciclo, pero cuando el ciclo negativo va a comenzar las
escobillas hacen contacto con las mitades opuestas del conmutador, invirtiendo el
signo del voltaje. De esta forma el conmutador hace que el sentido del voltaje de
salida permanezca igual.
El generador que incorpora el conmutador para mantener el sentido de la corriente se
llama generador de corriente continua .