Leyes fundamentales del electromagnetismo

LEYES FUNDAMENTALES DEL ELECTROMAGNETISMO.

Estas leyes son las Ecuaciones de Maxwell, que describen la interacción entre campos eléctricos y magnéticos. Estas leyes incluyen la Ley de Gauss para el campo eléctrico, la Ley de Gauss para el magnetismo, la Ley de Faraday (inducción electromagnética) y la Ley de Ampere-Maxwell.

• Ley de Gauss para el campo eléctrico: Describe cómo las cargas eléctricas crean campos eléctricos. Las cargas positivas crean campos que se extienden hacia afuera, mientras que las cargas negativas los crean que se extienden hacia adentro.

• Ley de Gauss para el magnetismo:

Establece la ausencia de monopolos magnéticos; los campos magnéticos siempre forman bucles cerrados, lo que significa que no hay un polo norte o sur aislado.

• Ley de Faraday:

Explica que un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica en un circuito. Esto es la base de la inducción electromagnética.

• Ley de Ampere-Maxwell:

Señala que tanto las corrientes como los campos eléctricos en cambio son fuentes de campos magnéticos.

Las Ecuaciones de Maxwell unificaron la electricidad y el magnetismo en una única teoría del electromagnetismo estas describen cómo interactúan los campos eléctricos y magnéticos con las cargas y las corrientes, explicando fenómenos como la luz, las ondas de radio y muchos otros efectos electromagnéticos. 

CIRCUITOS MAGNÉTICOS.

Un circuito magnético es un camino cerrado de material ferromagnético que canaliza el flujo magnético, un fenómeno similar a cómo un cable conduce la corriente eléctrica en un circuito eléctrico. Su funcionamiento se rige por la Ley de Rowland, análoga a la Ley de Ohm, donde la fuerza magnetomotriz impulsa el flujo magnético, oponiéndosele la reluctancia magnética del material del circuito. Estos circuitos son fundamentales para la operación de dispositivos como transformadores y motores eléctricos. 

Los circuitos pueden clasificarse en serie, paralelo o mixtos, dependiendo de cómo estén conectados sus componentes. En un circuito en serie, la corriente pasa por cada componente uno tras otro, mientras que, en un circuito en paralelo, la corriente se divide en varios caminos. Esta configuración afecta cómo se distribuye la energía y cómo responden los elementos si uno de ellos falla.

El principio básico de funcionamiento de cualquier circuito eléctrico se basa en la Ley de Ohm, que relaciona la tensión (voltaje), la corriente y la resistencia: V = I × R. Esta ley permite calcular cómo fluye la electricidad y cómo afecta a los distintos elementos del circuito.

VARIABLES MAGNÉTICAS.

Las variables magnéticas son magnitudes fundamentales para describir fenómenos electromagnéticos, y algunas de las más importantes son el flujo magnético (Φ), la inducción magnética o densidad de flujo (B), la fuerza magnetomotriz (FMM), y la reluctancia (R). Estas variables están interrelacionadas y se utilizan para analizar el comportamiento de circuitos magnéticos de forma análoga a cómo se analizan los circuitos eléctricos con sus variables correspondientes, como el voltaje, la corriente y la resistencia.

• Flujo Magnético (Φ):

Representa la cantidad total de "líneas de campo magnético" que atraviesan una superficie. Se mide en Webers (Wb)

• Inducción Magnética (B):

También conocida como densidad de flujo magnético, es una medida de la intensidad del campo magnético en un punto, es decir, el flujo magnético por unidad de área.

• Fuerza Magnetomotriz (FMM):

Es la fuerza impulsora en un circuito magnético, análoga al voltaje en un circuito eléctrico. Se genera típicamente con una bobina de alambre (solenoide) que crea un campo magnético cuando una corriente la atraviesa.

• Reluctancia (R):

Es la oposición que presenta un material al paso del flujo magnético, equivalente a la resistencia en un circuito eléctrico. La permeabilidad magnética del material es un factor que determina su reluctancia.

PRINCIPIO OPERACIONAL DEL TRANSFORMADOR.

Un transformador es un maquina eléctrica capaz de transmitir corriente de un lado de un circuito a otro sin la necesidad de una conexión física directa, cambiando a su vez los valores de voltaje o amperaje dependiendo de las necesidades del usuario. El hecho que pueda realizar esta transmisión de corriente sin la necesidad de una conexión directa es gracias a la inducción, un principio descubierto por Michael Faraday, y que como se explico anteriormente, se basa en el cómo un flujo magnético puede generar una corriente al pasar por una bobina y viceversa.

Ahora bien, para que un transformador pueda funcionar de forma correcta este debe tener ciertos componentes, entre los que encontramos:

• Núcleo: Por lo general es de acero, o de una aleación de acero y silicio, y es el componente que proporciona el circuito magnético para guiar el flujo de campo entre los devanados primario y secundario, de forma que se transfiera de forma mas eficiente el flujo magnético. Esta capacidad del núcleo de ser atravesado y magnetizado se le conoce como permeabilidad.
• Bobina o devanado primario: Es la bobina que se conecta a la fuente de poder y que genera un campo magnético por medio de la inducción. Estas bobinas son de cobre, al ser un material con una resistividad baja.
• Bobina o devanado secundario: Es la bobina que se induce por medio del campo magnético de la bobina primaria y que funciona como la salida de corriente del circuito. Dependiendo del diseño del transformador puede alterar el voltaje o la corriente.

El funcionamiento de una bobina se basa enteramente en el principio de inducción de Faraday, es decir, se basa en el hecho que una corriente al pasar por una bobina esta a su vez genera un campo magnético, el cual si a su vez pasa por otra bobina se puede convertir de nuevo en una corriente inducida. En un transformador cuando pasa la corriente alterna a través de su bobina primaria, esta genera un campo magnético por el principio de inducción, este campo magnético gracias al núcleo se traslada de la manera mas eficiente posible al devanado secundario, el cual transforma este flujo magnético en una corriente inducida.

Existe una relación entre la bobina primaria y la bobina secundaria, la cual se puede apreciar mucho mejor al analizar un transformador ideal. Esta se basa en el numero de espiras de las bobinas y el voltaje de entrada. En un transformador ideal esta relación se puede analizar como:

[pic 1]

Donde V es el valor de voltaje que entra (VP) o que sale (VS), y N es el número de vueltas ya sea de la bobina primaria o secundaria. A esta relación entre el numero de vueltas y el voltaje se le conoce también como α (alfa) y es un numero adimensional al momento de su análisis.

En un transformador real esta relación no funciona, ya que un transformador al ser una maquina eléctrica se somete al igual que otras maquinas a la segunda ley de la termodinámica, que nos dice en resumen que ninguna maquina puede tener un 100% de eficiencia ya que siempre ocurren perdidas de energía irreversibles por la entropía.

Ahora bien, en cuestión de los tipos de transformadores que existen encontramos:

• Transformador reductor (Step-Down): Como su nombre lo dice, se usa para reducir el voltaje en un circuito y aumentar la corriente. Se caracteriza por tener menos espiras en el lado secundario que en el primario.
• Transformador elevador (Step-up): Se utiliza para aumentar el voltaje de salida y reducir la intensidad de corriente. En esta configuración hay mas espiras o vueltas en el lado secundario que en el devanado primario.

Cada uno de estos transformadores se utiliza con distintas finalidades. El reductor es muy usado para cargadores de aparatos electrónicos, y los elevadores se utilizan mucho en subestaciones eléctricas donde se aumenta el voltaje a miles de volts con la finalidad que esta energía se pueda distribuir de forma más eficiente.

TRANSFORMADOR IDEAL.

Ahora bien, una forma de analizar mejor los transformadores y poder comprender mejor la relación que existe entre las bobinas y las salidas de voltaje, es el abstraer el transformador en el llamado “transformador ideal”. Como su nombre lo dice, este es una idealización del transformador donde este tiene un 100% de eficiencia, es decir, no hay perdidas de energía por calor, por impedancia o por la resistividad de los materiales por donde pasa la corriente.

De hecho estas perdidas tienen sentido, y se relacionan intrínsecamente con las leyes de la termodinámica, principalmente con la primera y segunda ley. La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, es decir, la energía de entrada de un transformador va a ser igual a la energía de salida, esto sin tomar en cuenta las perdidas de energía. Por lo tanto podemos decir que el principio de funcionamiento del transformador ideal esta regido por esta primera ley; y es de hecho en esta mera afirmación donde podemos llegar a deducir la siguiente relación entre la energía de entrada y de salida:

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