magnetismo

57
MAGNETISMO As circunstancias que posibilitan que haxa unha relación entre sistemas eléctricos e forzas mecánicas, ou viceversa, son os chamados campos magnéticos ou electromagnéticos e están rexidos por unha serie de leis e de principios.

Upload: belenlo25

Post on 25-Jun-2015

726 views

Category:

Education


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Magnetismo

MAGNETISMO

As circunstancias que posibilitan que haxa unha relación entre sistemas

eléctricos e forzas mecánicas, ou viceversa, son os chamados campos

magnéticos ou electromagnéticos e están rexidos por unha serie de leis

e de principios.

Page 2: Magnetismo

IMÁNS NATURAIS E ARTIFICIAIS

Dende hai séculos coñécese a existencia de sustancias que atraen

limaduras ou anacos de ferro.

Estas substancias están derivadas do óxido de ferro Fe3O3 ou

magnetita, que se atopa en forma de mineral na natureza.

Son os chamados imáns naturais e caracterízanse por ter pouca forza

de atracción.

Page 3: Magnetismo

IMÁNS NATURAIS E ARTIFICIAIS

Se frotamos, sempre no mesmo sentido, un anaco de aceiro cun imán

natural, vemos que este aceiro atrae por si mesmo limaduras de ferro,

creamos un imán artificial.

Se facemos circular unha corrente eléctrica por un bobinado no cal no

seu interior hai un núcleo de material magnético, obtense o mesmo

resultado, un imán artificial, coa diferenza de que este novo imán pode

ser moito máis potente.

Page 4: Magnetismo

PROPIEDADES DOS IMÁNS

Orientación: un imán lixeiro suspendido nun eixe,

marca sempre a mesma dirección (sempre que non

este preto dunha corrente eléctrica nin de pezas de

ferro ou aceiro voluminosas).

Esta dirección coincide co chamado polo norte

magnético da terra.

Accións recíprocas: si temos dous

imáns e os acercamos observamos que

as extremidades da mesma polaridade

se repelen, e que as polaridades

diferentes se atraen.

Page 5: Magnetismo

PROPIEDADES DOS IMÁNS

Partición: por moi pequenas que fagamos as partes fragmentadas dun

imán, estas sempre serán imáns de dous polos, é dicir, e imposible ter

imáns dun só polo.

Page 6: Magnetismo

PROPIEDADES DOS IMÁNS

Imantación: se cun imán atraemos unha peza de ferro, cravo, vemos que esta

peza atrae ás limaduras de ferro ou aceiro ao poñelas en contacto.

Cando separamos o imán, practicamente tódalas limadura se desprenderán,

dicimos polo tanto que a peza de ferro tivo unha imantación temporal.

En cambio, se facemos o mesmo cunha peza de aceiro, agulla, vemos que

aínda que separemos o imán, as limaduras non se desprenden, é dicir a agulla

tivo unha imantación permanente.

Nos dous casos, o ferro e o aceiro son substancias ferromagnéticas.

Se fixésemos o experimento cunha peza de aluminio ou cobre, non habería

atracción porque son substancias non magnéticas.

Page 7: Magnetismo

A magnetita, como imán, só ten interese como curiosidade científica.

Na fabricación de imáns permanentes utilízanse na práctica aliaxes de

ferro, aluminio, cobalto, platino, tritio, carbono, etc.

Durante moitos anos empregouse como elemento base do imán o

aceiro ao carbono, na actualidade os máis empregados son os de

alnico (51 % Fe, 8% Al, 24% Ni e 8% outros materiais como Co e Cu).

Clases de imáns permantes

Page 8: Magnetismo

Campo magnético elemental

Cando as cargas eléctricas están en movemento (circula por elas

corrente), aparecen unhas forzas mecánicas que non teñen nada que

ver cos fenómenos electrostáticos ou de atracción e repulsión de

cargas negativas e positivas.

Se puideramos ver o campo magnético nun

condutor polo que pasa unha certa cantidade

de corrente, observaríamos liñas como as da

seguinte figura.

Denominámolas forzas magnéticas, e

dicimos que, onde se poñen de manifesto

estas forzas, hai un campo magnético.

Page 9: Magnetismo

Estas liñas de campo están sempre pechadas e representan a dirección

e o sentido do campo magnético, a súa magnitude vai de máis grande a

máis pequeno dende o condutor ao espazo circundante.

Page 10: Magnetismo

Para a representación adoptase o seguinte criterio: cando a magnitude

teña dirección perpendicular á folla do libro e sentido cara dentro,

debuxase o signo (+); cando teña dirección perpendicular pero sentido

cara fora, a representación adoptada será (·).

Na seguinte figura amosase a maneira de expresar o mesmo en dúas

dimensións; é dicir, as liñas de campo magnético producidas por un

condutor recorrido por unha corrente eléctrica.

Page 11: Magnetismo

Queda por definir o sentido das liñas magnéticas (horario ou

antihorario) a partir dun sentido da corrente. Para iso, aplícase a lei do

parafuso ou do sacacorchos, ao coller o sentido da intensidade e de

penetración, ou ao contrario. O xiro que resulte na cabeza do

parafuso dará o sentido exacto das liñas de campo magnético.

Page 12: Magnetismo

O campo magnético é máis forte canto máis preto esteamos dun

condutor polo que circula unha intensidade eléctrica.

Ademais, a magnitude deste campo depende da natureza do medio

onde se atope o condutor, e da forma deste, xa que pode estar

enrollado en forma de espiral, en bobina ou ter calquera outra

configuración.

A magnitude que nos da o campo magnético denomínase inducción

magnética (B) e a súa unidade no S. I é o tesla (T), aínda que por razón

de comodidade de cálculo e tradicionais tamén se emprega o gauss

(G), que pertence ao CGS.

A equivalencia é:

1 tesla = 104 gauss

Inducción magnética

Page 13: Magnetismo

I: Intensidade da corrente eléctrica (A).

r: Radio (m).

μ: Permeabilidade magnética, constante que depende do medio,

(T·m/A)

É dicir, o campo magnético nun punto do espazo a unha distancia r do

condutor depende:

1) Do medio que hai entre o condutor e o punto en cuestión, e que

ven dado pola permeabilidade magnética, μ.

2) Da intensidade eléctrica, I, que circula polo condutor.

3) Da distancia, r, do punto ao condutor.

Page 14: Magnetismo

Para facilitar o cálculo aparece outro concepto, que recibe o nome de

excitación magnética ou intensidade do campo magnético (H) e que nos

agrupa nun só termo as características eléctricas e xeométricas do

circuíto.

Para un condutor lineal percorrido por unha corrente eléctrica:

A unidade H será o amperio/metro, (A/m); en función da forma do

condutor, cando se fale dunha bobina de n espiras , a unidade será

amperio·volta/metro (Av/m).

Considerando a excitación magnética pódese escribir:

B= μ·H

Excitación magnética

Page 15: Magnetismo

Aplicacións prácticas

O cálculo da indución magnética para calquera punto do circuíto de

configuración xeométrica arbitraria resulta complicado e ten un

desenvolvemento matemático superior

Cálculo do campo magnético creado por unha espira circular.

Cálculo do campo magnético creado por un solenoide.

Page 16: Magnetismo

Cálculo do campo magnético creado por unha espira circular

Considérase unha espira o elemento formado por un só fío condutor

dunha única volta.

Resulta útil o cálculo da indución e da excitación nun punto que este no

eixo perpendicular ao plano da espira ou no mesmo centro desta.

Page 17: Magnetismo

Si a espira se compón de N voltas moi xuntas, temos o que se

denomina unha bobina elemental.

As fórmulas convértense en:

Por convención considérase o polo norte do campo magnético o lugar

por onde saen as liñas de campo, e polo sur, por onde entran.

Page 18: Magnetismo

Considérase un solenoide o conxunto de espiras dispostas unha ao

lado da outra forman do un tubo.

Este tubo pode ser recto ou curvo (cerrase sobre si mesmo), e da lugar

ao que recibe o nome de superficie toroidal.

Page 19: Magnetismo

Este caso interesa, sobre todo, para realizar cálculos de electroimáns e

outros compoñentes parecidos, en que é necesario o cálculo da

excitación e da indución magnética dos puntos situados no eixe do tubo

e, en particular, no centro dos solenoides rectos.

O campo magnético terá a forma que se amosa na seguinte figura, que

resulta de sumar os sucesivos campos de cada unha das espiras que o

forman.

N número de espiras do solenoide, l lonxitude (m), (non a lonxitude do fío).

Page 20: Magnetismo

Exemplos:

1. Calcule a indución magnética no aire dun punto localizado a 10 cm

dun condutor longo e recto polo que pasan 15 A (μ0 do aire vale

4·π·10-7 T·m/A)

2. Calcule a corrente que ten que pasar por unha bobina sen núcleo,

circular e plana, con 20 espiras de fío e un diámetro de 30 cm, si se

quere que a indución no centro sexa de 4·10-4 T.

3. Un solenoide con núcleo de aire ten 1.000 espiras cun diámetro de 4

cm e unha lonxitude de 40 cm. Que indución se producirá no centro,

se circula unha intensidade de 2 A?

Page 21: Magnetismo

Dende un punto de vista estritamente magnético, interesa ter nos

circuítos a maior indución posible, isto acádase seleccionando un bo

material magnético e dispoñendo da maior excitación posible no

arrollamiento.

Pódese acadar unha boa excitación de dúas maneiras diferentes:

Con gran intensidade que circule por un arrollamiento de poucas

espiras, o que non é aconsellable a causa do aumento do consumo

eléctrico.

Con pouca intensidade pero con moitas voltas no arrollamiento,

sempre que o permita o espazo dispoñible.

CONCEPTO DE AMPERVOLTA

Page 22: Magnetismo

Con gran intensidade que circule por un arrollamiento de poucas

espiras, o que non é aconsellable a causa do aumento do consumo

eléctrico.

Con pouca intensidade pero con moitas voltas no arrollamiento, sempre

que o permita o espazo dispoñible.

O importante é manter o máis alto posible o produto amperio.volta.

Page 23: Magnetismo

PERMEABILIDADE MAGNÉTICA

A relación entre a indución e a excitación magnética a que sometemos

un devanado depende do tipo de material do interior do bobinado.

B= μ·H

μ: permeabilidade magnética e o seu valor no S.I. no baleiro ou no aire

é de 4·π·10-7 T·m/A, de xeito que:

B= 4·π·10-7·H

A permeabilidade magnética é unha constante que depende do

material.

Os materiais diamagnéticos (Ag, Cu, Hg,..) teñen unha permeabilidade

lixeiramente inferior á do aire, e os paramagnéticos (Al, Pt) lixeiramente

superior.

Estes materiais non se poden aproveitar para usos magnéticos.

Page 24: Magnetismo

En cambio o grupo de materiais ferromagnéticos, constituídos por ferro e

aliaxes deste, poden aproveitarse magneticamente, xa que con pouca

excitación proporcionan unha gran indución.

Pode observarse que a curva característica dos materiais

ferromagnéticos presenta 3 zonas:

Page 25: Magnetismo

Zona A: con pouca excitación obtense moita indución.

Zona B: codo de saturación, o crecemento é máis moderado. Esta zona

e a final da anterior son as que se aproveitan na práctica (motores,

transformadores, relés, etc.) para un correcto traballo da máquina.

Zona C: saturación, aínda que se excite o material, a indución crece

moi pouco. Chegaríase a queimar o bobinado por exceso de

intensidade sen obter case aumento da intensidade.

Os materiais ferromagnéticos non forman unha curva exclusiva, senón

unha gran familia de curvas máis ou menos parecidas.

Page 26: Magnetismo

Clases de materiais ferromagnéticos máis empregados

Poden distinguirse dous grandes grupos:

1) Materiais para circuítos magnéticos de indución constante.

Utilízanse materiais macizos de gran permeabilidade.

Hai que destacar o uso de diversos tipos de aceiro (doce, forxado) a

fundición e o ferro.

O uso principal son os núcleos de electroimáns de corrente continua,

polos de máquinas de corrente continua, rotores de alternadores, etc.

Page 27: Magnetismo

2) Materiais para circuítos magnéticos sometidos a inducións

variables (corrente alterna).

Neste caso, o material debe ter unha boa permeabilidade e, ademais,

cantas menos perdas teña, mellor (as perdas prodúcense a causa das

inducións variables).

Empréganse chapas obtidas por laminado en frío ou en quente, como

tamén as denominadas de gran orientado, porque presentan unha

permeabilidade alta en sentido lonxitudinal e baixa en sentido

transversal.

O material empregado soe ser unha aliaxe de aceiro e silicio, e

emprégase en núcleos de electroimáns e relés de corrente alterna,

núcleos de transformadores, rotores, e estatores de máquinas de

indución, etc.

Page 28: Magnetismo
Page 29: Magnetismo

CIRCUÍTOS MAGNÉTICOS

Un circuíto magnético está constituído por:

• Un devanado con máis ou menos voltas, previsto para circuítos

eléctricos de corrente continua ou alterna, monofásicos ou trifásicos.

• Un núcleo formado por material ferromagnético a base de chapas

apiladas, e cunha forma xeométrica que dependerá da aplicación á que

se destine. Este núcleo cumpre dúas funcións:

1) Aumentar a indución en relación co aire.

2) Distribuír de forma máis axeitada as liñas magnéticas.

Page 30: Magnetismo
Page 31: Magnetismo

O núcleo magnético sempre formará un circuíto pechado para dar

continuidade ás liñas de campo magnético (por exemplo,

transformadores), ou necesitará un pequeno espazo para permitir a

mobilidade das pezas (por exemplo, un relé ou motor).

Este espazo de aire, será o máis pequeno posible para que o campo

magnético non perda forza, denomínase entreferro ( ).

Page 32: Magnetismo

Fluxo magnético ( )

Se consideramos unha superficie S no interior dun campo magnético

de indución B, onde α é o ángulo formado polo campo e a superficie,

defínese fluxo magnético como:

= B · S · cos α

Son habituais os circuítos magnéticos en

que a superficie é perpendicular ás liñas de

indución, entón a expresión redúcese a:

= B · S

A unidade de fluxo é o weber (Wb).

É frecuente o uso do submúltiplo miliweber (mWb).

Page 33: Magnetismo

Exemplo

Considérese un núcleo formado por aceiro macizo. Calcule a

intensidade que circulará polo arrollamiento de 500 espiras para ter 12

mWb.

Page 34: Magnetismo

Reluctancia magnética ( )

A reluctancia magnética é a dificultade, máis grande ou máis pequena,

das liñas de indución para atravesar un material determinado.

É como o concepto de resistencia eléctrica, pero aplicado a circuítos

magnéticos.

Así o aire terá unha reluctancia magnética moi elevada, en cambio un

material ferromagnético terá unha reluctancia baixa, pero dependerá da

clase de material de que se trate.

Se fixésemos un símil eléctrico diriamos que o material ferromagnético

é o condutor de cobre ou de aluminio, e o aire unha resistencia

bobinada.

Page 35: Magnetismo

Para un circuíto magnético no que enrollamos un bobinado pode

establecerse que:

H·l= N·I H = N·I/ l

Neste caso a lonxitude do solenoide (l) pode asimilarse á lonxitude

media lm do núcleo magnético; é igual que o solenoide ocupe todo o

núcleo ou só unha parte, sempre que se manteña o mesmo número de

voltas.

B= μ0· μr·H

Page 36: Magnetismo

Como:

A reluctancia vale xustamente:

O numerador é a forza electromotriz: F= NI

Polo tanto, pódese dicir: = F/

Esta ecuación é importante denomínase Lei de Ohm dos circuítos

magnéticos, pola analoxía que ten coa dos circuítos eléctricos.

Page 37: Magnetismo
Page 38: Magnetismo

Exemplo:

A sección do núcleo central da figura é de 6 cm2 e quere calcularse a

corrente que circula polo arrollamiento de 300 espiras para conseguir

que no entreferro haxa un fluxo de 500 μWb.

Page 39: Magnetismo

Resolución de circuítos magnéticos

Grazas á analoxía entre a lei de Ohm dos circuítos eléctricos e a dos

magnéticos, é moi fácil a resolución de circuítos que teñen núcleos con

certa complexidade.

Podemos atopar núcleos formados por tramos de diferentes materiais

(diferente μ), diferente sección (S) e lonxitude media (l).

Page 40: Magnetismo

Entón, estes tramos poden estar entre si en serie ou en paralelo.

A resolución destes circuítos é sinxela.

Só hai que atopar a reluctancia de cada tramo e operar con ela co

circuíto eléctrico equivalente.

Page 41: Magnetismo

Electroimáns Un electroimán é un circuíto pechado

formado por un núcleo magnético fixo de

forma xeométrica máis ou menos sinxela e

unha parte magnética móbil.

Esta parte é capaz de exercer movemento e

forza mecánica grazas á corrente eléctrica

que circula polo devanado enrollado sobre o

núcleo.

Ao haber unha parte móbil, tamén ten que

haber un entreferro.

Como aplicacións dos electroimáns temos os relés, os contactores, as

pechaduras eléctricas, os autofalantes, os timbres,…

As fórmulas de cálculo dos electroimáns son experimentais.

Page 42: Magnetismo

Forza sobre

un condutor eléctrico

Se un condutor eléctrico, polo que circula unha certa intensidade, é

perpendicular a un campo magnético, experimenta unha forza de valor:

F= B·l·I

F é a forza (N) que aparece no condutor de lonxitude l (m).

Evidentemente, a intensidade eléctrica virá dada en A e a indución en T.

Esta lei é moi importante, xa que en ela se basea o funcionamento dos

motores eléctricos.

Page 43: Magnetismo

Hai unha maneira fácil e práctica de saber o sentido da forza a partir da

regra da man esquerda, tal como se amosa na figura.

Se a palma da man está encarada ás liñas de campo, e a dirección dos

catro dedos coincide co sentido da intensidade da corrente, entón o

dedo pulgar daranos a dirección da forza.

Page 44: Magnetismo

Na seguinte figura pode verse a aplicación desta lei nun motor

elemental (formado por unha soa espira) para determinar o sentido de

xiro.

Page 45: Magnetismo

Forza electromotriz sobre un condutor

Cando un condutor eléctrico de lonxitude l (m) se move a unha certa

velocidade v (m/s), perpendicular a un campo magnético B (T),

convértese nun asento dunha forza electromotriz e (V), que ten un

valor:

e = B·l·v

Page 46: Magnetismo

Esta lei é importante porque nela se basea o funcionamento dos

xeradores electromagnéticos.

Pode obterse o sentido desta forza electromotriz a partir da regra da

man dereita, tal como se amosa na seguinte figura.

Se a palma da man, está encarada ás liñas de campo, e o dedo pulgar,

á velocidade do condutor, a dirección da f.e.m. virá determinada pola

orientación dos outros dedos.

Page 47: Magnetismo

Na seguinte figura sinalase a f.e.m producida por un xerador elemental

dunha soa espira, na que os condutores están conectados en serie. Así,

a f.e.m total valerá:

E= 2 B·l·v

Page 48: Magnetismo

Lei de Faraday

Vimos como se xeraba f.e.m tendo en conta un condutor.

Na práctica, os xeradores están formados por moitos condutores, que

constitúen as bobinas e os devanados, polo que é máis práctico

traballar coa lei que descubriu en 1931 Joseph Faraday: a f.e.m.

inducida nunha espira de N voltas que concatena un fluxo variable

é función da variación de fluxo que a atravesa respecto do tempo.

Page 49: Magnetismo

É dicir, supoñemos que o fluxo, , varía dende un valor 1 a 2 nun

tempo t1 a t2. Pódese escribir:

En xeral:

É importante resaltar que un fluxo que atravesa unha bobina fixa, pero

que se mantén constante, non produce ningunha f.e.m.

En cambio, si a bobina se move cando a atravesa un fluxo constante ou

ben si unha bobina fixa concatena un fluxo variable, si se xera unha

f.e.m.

Por este motivo, un transformador non funciona en corrente continua,

xa que esta produce un fluxo constante non variable.

Page 50: Magnetismo

Coeficiente de autoindución

Na práctica a medida de fluxos ou inducións magnéticas resulta inviable

pola falta de aparatos de medida axeitados.

Cando circula unha corrente eléctrica por unha bobina aparece un fluxo

magnético de forma que, si a intensidade da corrente aumenta, o fluxo

tamén, e viceversa.

As intensidades son medibles con amperímetros, polo tanto si

establecemos unha relación entre fluxo e intensidade, pódese medir a

cantidade de fluxo de forma indirecta.

Page 51: Magnetismo

Esta relación denomínase coeficiente de autoindución e defínese como:

L: Coeficiente de autoinducción, en henrys (H).

: Fluxo na bobina (Wb).

N: Número de espiras.

I: Intensidade (A).

Page 52: Magnetismo

Perdas nos circuítos magnéticos

Ao igual que acontece nos circuítos eléctricos, en que se producen

perdas non desexadas por efecto Joule, nos circuítos magnéticos

prodúcese calor por dúas causas:

•Perdas por correntes parásitas, ou Foucault.

•Perdas por histérese.

O problema das correntes parásitas dáse só cando hai fluxos alternos,

é dicir, cando estes cambian de sentido.

Segundo a lei de Faraday, toda variación de fluxo produce unha f.e.m.,

sen embargo o núcleo magnético macizo está formado por infinitas

espiras en cortocircuito, polas que circulará unha intensidade que

producirá calor. A temperatura acadada é tan alta que, a veces, este

fenómeno aproveitase na industria.

Page 53: Magnetismo

Noutros casos, hai que evitalo, por exemplo, nos transformadores e

motores sometidos a un fluxo alterno, xa que o calor producido pode

deteriorar a máquina.

Este fenómeno corríxese substituíndo o núcleo macizo por chapas

illadas mediante o mesmo óxido da chapa; desta maneira, pechase o

paso da corrente en sentido transversal e o fluxo circulará

lonxitudinalmente como si fora un núcleo macizo.

Page 54: Magnetismo

As perdas por histérese débense a que a curva B-H non é idéntica

cando sube a excitación ou cando baixa. Así, tal como pode observarse

na seguinte figura, a primeira vez que excitamos un material facémolo

seguindo a curva O-D ata o punto de saturación D. Cando lle baixemos

a excitación magnética, a indución irá diminuíndo, pero seguindo o

camiño D-A’.

Page 55: Magnetismo

Un fenómeno moi importante é que, aínda que se consiga o punto de

abcisas correspondente a unha excitación 0, sempre haberá unha

indución residual, tamén chamada magnetismo remanente.

Na práctica un destornillador que traballara preto dun campo magnético

queda magnetizado, xa que podemos coller os tornillos de pouco peso

como si o destornillador fora un imán permanente.

Esta propiedade emprégase para obter imáns artificiais permanentes.

Page 56: Magnetismo

Se pasamos a unha excitación de signo contrario á anterior,

continuaremos pola curva ata chegar ao punto C, simétrico de D. Si

subimos a excitación, observamos que agora chegamos ao punto D,

pero polo camiño C-A-D. Cando a intensidade de corrente sexa alterna,

este ciclo producirase en cada período de intensidade.

Page 57: Magnetismo

A área entre as dúas curvas denomínase ciclo de histérese, e produce

na práctica o quentamento do circuíto magnético, é dicir, perdas. O ciclo

de histérese cambia en cada tipo de material, de maneira que canto

máis grande sexa a área entre as dúas curvas máis perdas haberá.