Circuitos Magneticos

1.- ESTUDIO DEL CAMPO MAGNÉTICO

Los campos magnéticos son los mecanismos fundamentales por medio de los cuales ala energía se convierte de una forma en otra, en motores, generadores y transformadores. Cuatro principios básicos describen como se utilizan los campos magnéticos en estos aparatos:

Un alambre cargado de electricidad produce un campo magnético a su alrededor.

Un campo magnético de tiempo variable induce un voltaje en una bobina de alambre, se pasa a través de dicha. (Esta es la base del funcionamiento del transformador).

Un alambre cargado de corriente en presencia de un campo magnético tiene una fuerza inducida sobre él. (Esta es la base del funcionamiento de un motor).

Un alambre en movimiento, en presencia de un campo magnético, tiene un voltaje inducido en él. (Esta es la base del funcionamiento de un generador).

Producción de un campo magnético

La ley básica que rige la producción de un campo magnético por medio de una corriente es la ley de Ampere:

Donde H es la intensidad del campo magnético producido por la corriente.

La figura muestra un núcleo rectangular con un embobinado de alambre de N vueltas, entorno a una columna del núcleo. Si el núcleo esta hecho de hierro u otros metales similares (comúnmente llamados materiales ferromagnéticos). Todo el campo magnético producido por la corriente permanecerá esencialmente dentro del núcleo, de tal modo que el recorrido de integración en la Ley de Ampere es la longitud media del recorrido del núcleo lc. La corriente que pasa dentro del recorrido de integración de i es entonces Ni, puesto que la bobina abraza el recorrido de integración de N veces, mientras conduce la corriente i. La Ley de Ampere, se vuelve entonces

Hlc= Ni

Aquí, H es la magnitud de la intensidad del campo magnético vector H. Por consiguiente, la magnitud de la intensidad del campo magnético en el núcleo, debido a la corriente aplicada, es H = Ni/lc

La intensidad, H del campo magnético es, en cierto sentido, una medida del “esfuerzo” que una corriente realiza para establecer un campo magnético. La intensidad del flujo del campo magnético producida en el núcleo depende también del material de este. La relación entre la intensidad H del campo magnético y la densidad B del flujo magnético resultante, producido dentro del material se da por:

B = µH

En donde H = intensidad del campo magnético A-v/m

µ = permeabilidad magnética del material H/m

B = densidad del flujo magnético producido Wb/m^2 (T)

La verdadera densidad del flujo magnético producido en un trozo de materiales esta, entonces, dada por el producto de dos términos:

H que representa el esfuerzo que ejerce la corriente para establecer un campo magnético

µ Que representa el esfuerzo que realiza la corriente para establecer un campo magnético en un material dado.

Las unidades de intensidad de un campo magnético son amperios-vuelta por metro, las unidades de permeabilidad son henrios por metro y las unidades de la densidad del flujo resultante, son webers por metro cuadrado, conocidas como teslas (T).

La permeabilidad de espacio libre, se llama

µ0 = 4π x 10ˆ-7 H/m

La permeabilidad de cualquier otro material comparado con la permeabilidad del espacio libre, se denomina permeabilidad relativa.

µr = µ/µ0= permeabilidad relativa

Para obtener el flujo magnético partimos de :

B = µH = µNi/lc

Ahora, el flujo total en una área dada se determina por

En donde dA, es la diferencia de área. Si el vector de la densidad de flujo es perpendicular a un plano de área A y si la densidad de flujo es constante en toda el área, entonces esta ecuación se reduce a

ɸ= BA

Así, el flujo total en el núcleo de la fig. Debido a la corriente i en el embobinado es

ɸ= BA = µNiA/lc

en donde A es el área del corte transversal del núcleo.

2.- CIRCUITOS MAGNÉTICOS

Los generadores, los motores, los transformadores, lo interruptores de circuitos, los aparatos de televisión, los receptores de radio, las cintas magnéticas y los teléfonos utilizan los efectos magnéticos producidos por el electromagnetismo. Muchas computadoras emplean cintas o discos magnéticos para mejorar el número de bits de datos.

El análisis de los circuitos magnéticos es relativamente sencillo debido a la similitud que presenta con respecto a los circuitos eléctricos. Esto se puede comprobar con la aplicación de leyes de ohm y de Kirchoff, aplicadas en ambas sentidos.

Ley de Ohm para circuitos magnéticos. La aplicación de esta ley a los circuitos magnéticos es similar a lo que se hace con los circuitos eléctricos como se puede ver en la ecuación:

Donde es el flujo magnético, con unidades de weber (Wb) en el S, análogo a la corriente de un circuito eléctrico, es la fuerza magnetomotriz, con unidades de amperes-vueltas(A-v) en el SI, análoga al voltaje, y es la reluctancia, con unidades de vuelta por Henry en el SI, análoga a la resistencia.

La diferencia principal entre la corriente eléctrica con respecto al flujo magnético es que la primera no circula si se abre el circuito mientras que flujo magnético puede circular en el aire (entrehierro), siendo la reluctancia del aire muy grande con respecto a un material ferromagnético; el siguiente figura se puede observar este efecto la resistencia de un circuito eléctrico depende de la longitud l, la conductividad p y del área A.

Mientras que la reluctancia depende de la longitud , permeabilidad magnética del material y el área A.

También se tiene que la resistencia tiene su inversa que es la conductancia G en siemens, mientras que la inversa de la reluctancia es la permeancia P con unidades de Henry en SI. Por otro lado. Para resolver o reducir la reluctancia se aplica la misma regla empleada en resistencias conectadas en serie o en paralelo.

El flujo magnético se puede calcular mediante la integral de la densidad de flujo B por unidad de área, en donde la densidad de flujo es el número de líneas que atraviesa el material de ferromagnético:

Φ= ∫ B*dA (1)

Si la densidad de flujo es constante en magnitud y perpendicular en cualquier punto del área, la ecuación anterior se reduce a:

Φ= BA (2)

De la ecuación (2) se puede obtener la densidad de flujo si se conoce el flujo magnético B= Φ/A en donde la densidad de flujo B en el SI está dada en Wb/m^2 o en teslas (T), 1T =1 Wb/ m^2.

La densidad el flujo se puede obtener de la permeabilidad y la intensidad de campo con la siguiente ecuación B= µ H

En donde µ=µRµo.

Los materiales se clasifican en magnéticos y no magnéticos, dependiendo de su magnetización o su curva B-H. Los no magnéticos tienen una curva B-H lineal, mientras que los materiales ferromagnéticos muestran una característica B-H no lineal.

En esta curva de magnetización se puede observar otra diferencia importante entre los circuitos magnéticos y los eléctricos, debido a que un circuito eléctrico la resistencia es normalmente independiente de la corriente mientras que un circuito magnético la reluctancia depende de la densidad del flujo. La curva se divide en dos regiones: la región lineal y la región de la saturación, y la translación entre ambas se conoce como codo o rodillo.

Regla de la mano derecha

Si el dedo del pulgar señala el sentido de la corriente y los demás dedos rodean el conductor, estos indicaran el sentido del flujo magnético.

3.- ANÁLISIS DE EXCITACIÓN DE CA Y CD, CONEXIONES.

La excitación está compuesta por los elementos del circuito que aportan energía, es decir, las fuentes o también lo pueden ser para lapsos cortos, las bobinas y los capacitores (debido a la energía acumulada en sus campos respectivos). En un circuito de CD la potencia suministrada a la carga de CD es simplemente el producto del voltaje a través de la carga y el flujo de corriente que pasa por ella:

P=VI

Desafortunadamente, la situación en los circuitos de CA sinusoidales es más compleja. Es más compleja, debido a que puede haber una diferencia de fase entre el voltaje y la corriente de CA suministrada a la carga, la potencia instantánea que se proporciona a una carga de CA también es el producto del voltaje y de la corriente instantánea, pero la potencia promedio suministrada a la carga se ve afectada por el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente. Se tiene una fuente de voltaje monofásico que proporciona potencia a una carga monofásica. El voltaje suministrado a esta carga es:

V(t)=√2.Vcosωt

Donde V es el valor rms (valor eficaz del voltaje o corriente) del voltaje suministrado a la carga, y el flujo de corriente resultante es:

i(t)=√2.Icos(ωt-θ)

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