Corrientes De Foucault

RESUMEN

La corriente de Foucault, es un fenómeno eléctrico descubierto por el físico francés León Foucault en 1851. Se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes parásitas circulares crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado. Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores serán las corrientes parásitas y los campos opositores generados. Son usadas en infinidad de aplicaciones por ejemplo los frenos de Foucault cuyo efecto de frenado es por inducción de corriente continua.

INTRODUCCIÓN

Una de las aplicaciones de las corrientes de Foucault que más importancia tienen en la industria son las que se dan en sistemas de frenado. El principio del freno de corriente Foucault fue definido en el siglo XIX por el físico francés Foucault. Se basa en la pérdida de energía útil al transformar en calor parte de la energía cinética de la corriente generada cuando un campo magnético variable intersecta un conductor, o viceversa. Las corrientes de Foucault se inducen directamente sobre los raíles, y el calor puede disiparse fácilmente

En el presente informe se explicará a mayor rasgo lo que son las corrientes de Foucault, sus distintas aplicaciones enfocándonos principalmente en los sistemas de frenado Foucault.

MARCO TEÓRICO

Las corrientes de Foucault o corrientes parásitas, se producen cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado. Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores serán las corrientes parasitas y los campos opositores generados.

En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.

Las corrientes parasitas crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Más concretamente, dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética, en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil, cuando no perjudicial. A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de material magnético, conocidas como laminados. Los electrones no pueden atravesar la capa aisladora entre los laminados y, por lo tanto, no pueden circular en arcos abiertos. Se acumulan cargas en los extremos del laminado, en un proceso análogo al efecto Hall, produciendo campos eléctricos que se oponen a una mayor acumulación de cargas y a su vez eliminando las corrientes parasitas. Mientras más corta sea la distancia entre laminados adyacentes (por ejemplo, mientras mayor sea el número de laminados por unidad de área, perpendicular al campo aplicado), mayor será la eliminación de las corrientes de Foucault y, por lo tanto, menor el calentamiento del núcleo.

Inducción Electromagnética

Una variación del flujo magnético induce una corriente en piezas metálicas, estas corrientes son las que denominamos parasitas en el ejemplo de la Figura 1 disponemos de un imán y un disco metálico girando alrededor de un eje de forma que una parte del disco pasa por el interior del campo magnético creado por el imán. A través de cualquier camino o línea cerrada que consideremos de la pieza metálica existirá una variación del flujo magnético que inducirá una corriente que se opondrá a dicha variación según la ley de Lenz.

Las corrientes parasitas producen dos efectos, por un lado se produce un frenado magnético del disco y por otro un calentamiento por efecto Joule, que puede suponer un inconveniente. Éste se puede reducir evitando los posibles caminos en el interior de las piezas metálicas.

Así por ejemplo, en los transformadores se laminan los núcleos de hierro para minimizar estas pérdidas.

El efecto de frenado se produce al tener una corriente eléctrica en el interior de un campo magnético. En la Figura 2, sobre el disco aparece una fuerza que se opone al movimiento del disco. Este efecto se utiliza en frenos magnéticos de trenes de alta velocidad, motores, balanzas de precisión, etc.

Origen de las Corrientes de Foucault

Si hacemos oscilar un péndulo constituido por una placa de cobre, entre los polos de un electroimán (Figura 2) se observará que se va frenando hasta pararse por completo, produciéndose este efecto más rápidamente cuanto mayor sea la intensidad del campo. Al tratarse de una placa de cobre, material no magnético, el frenado del péndulo no es debido a la atracción de los polos del imán.

Lo que sucede es que en la placa, al cortar el flujo entre las piezas polares, se induce una fuerza electromotriz, según predice la ley de Lenz. Como el cobre es un buen conductor y la placa ofrece una gran sección al paso de la corriente, su resistencia óhmica es pequeña y las corrientes inducidas intensas. Estas corrientes, se oponen a la acción del origen que las produce, esto es, la propia oscilación del péndulo, por tanto, actúan de freno.

La energía cinética del péndulo en movimiento, por el principio conservación, se transforma en calor por el efecto Joule.

Pérdidas magnéticas por corriente de Foucault

Estas pérdidas son debidas a las corrientes inducidas sobre el material ferromagnético como consecuencia de estar sometido a un campo magnético variable con el tiempo. Dichas corrientes reciben, también, los nombres de corrientes parásitas o de remolino. Si el material magnético fuese aislante, como lo son las ferritas, estas pérdidas serán nulas.

Para evaluar estas pérdidas, supongamos una chapa como la de la Figura 3a y dimensiones a, b y c, siendo a el espesor, b la anchura y c la longitud, en cuyo interior hay un campo magnético variable, dado por:

B= Bmax sen wt

Esta chapa es de material ferromagnético de conductividad γ_Fe.

Este campo induce unas corrientes eléctricas en el material que son proporcionales a la velocidad de variación de B, o sea, a ω=2πf y a la conductividad del mismo, esto es, a γ_Fe. Estas corrientes producen corrientes producen en calentamiento por efecto Joule debido a las pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault.

Suponiendo que b>>a, se puede hacer la hipótesis de que las corrientes inducidas siguen trayectorias como se indica en la Figura 3b.

Para una trayectoria situada a una distancia x del eje Figura 3c, puede suponerse que hay un hilo de anchura dx y profundidad c que transporta una corriente i, y tiene una resistencia óhmica dada por:

R=1/γ_Fe ∙2b/(cdx )

Como se puede desprender de la Figura 3c, suponiendo despreciable el efecto en los extremos al ser b>>a. La intensidad vendrá dada por la ley de Ohm: i=e/R (1)

siendo e la tensión inducida por la ley de Faraday:

(2)

Teniendo en cuenta las expresiones (1) y (2), resultará:

La potencia media de un ciclo completo de variación de B, esto es, en el tiempo T segundos, siendo T=2π/ω, el periodo será:

siendo

por lo tanto:

Esta es la potencia disipada en el circuito del hilo de anchura dx, de la Figura 3c, pero para cubrir toda la chapa, se tendrá que sumar las potencias de elementos similares, desde x = 0, hasta x = a/2, de donde:

Teniendo en cuenta que el volumen de la chapa es abc y el peso abcdFe, siendo dFe, la densidad de la misma, la potencia perdida por unidad de peso será:

(3)

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