Practica No. 7 Solenoide y Toroide
Biografiarías: Jean-Baptiste Biografiarías: Jean-Baptiste Biot y Félix Savart Solenoide
Un solenoide se define como una bobina de alambra, normalmente con la forma de un cilindro largo, que al transportar una corriente se asemeja a un imán de modo que un núcleo móvil es atraído a la bobina cuando fluye una corriente. Una definición más sencilla es que un solenoide es una bobina y un núcleo de hierro móvil usados para convertir energía eléctrica en energía mecánica. mecánica. Los solenoides han existido por décadas pero ahora varían en tamaño de menos de un cuarto de pulgada a más de 15 pulgadas de diámetro, con salidas de fuerza desde menos de una onza hasta una tonelada.
Hay dos leyes dos leyes básicas que gobiernan los solenoides: Ley de Faraday Ley de Ampere
Ley de Faraday La tensión inducida en una bobina es proporcional al número de vueltas y a la tasa de cambio del flujo. La corriente inducida fluye en la dirección opuesta al cambio de flujo. El flujo no se acumula, en pocas palabras lo que entra es lo que sale. Ley de Ampere a fuerza magnetomotriz (fmm) alrededor de un bucle cerrado es igual a la corriente neta encerrada por el bucle. El objetivo del diseño de solenoides es transferir la máxima cantidad de NI (energía) desde la bobina al entrehierro de trabajo.
Tipos de solenoides Hay dos categorías principales de solenoides: Solenoides giratorios Proporcionan una carrera rotacional que se mide en grados. Algunos son unidireccionales y otros son bidireccionales. La mayor parte tienen un retorno a resorte para devolver la armadura (parte móvil) a la posición inicial. Los solenoides giratorios con frecuencia se usan cuando el tamaño paquete es de la mayor importancia y el trabajo que desempeñan se distribuye de manera más eficaz en toda su carrera. Los solenoides giratorios tienen un fuerza/par de arranque mayor que la de los solenoides lineales. Son más resistentes al impacto. Los solenoides giratorios también ofrecen vida útil más larga (en número de actuaciones) que los solenoides lineales. Una de las aplicaciones más comunes que ayuda a ilustrar la función de un solenoide giratorio es abrir y cerrar un obturador láser. Los solenoides giratorios tienen aplicaciones en máquinas herramientas, rayos láser, procesamiento fotográfico, almacenamiento de medios, aparatos médicos, clasificadores, cierres de puertas contra incendios, y máquinas postales, etc.
Solenoides lineales Proporcionan una carrera lineal normalmente menor de una pulgada en cualquier dirección. Al igual que los giratorios, algunos solenoides lineales son unidireccionales y algunos son bidireccionales. Los solenoides lineales normalmente se clasifican como de tirar (la ruta electromagnética tira de un émbolo hacia el cuerpo del solenoide) o de tipo de empujar en el cual el émbolo / eje se empuja hacia afuera de la caja. Muchos tienen un retorno a resorte para devolver el émbolo o émbolo y eje a la posición inicial. Los solenoides lineales son dispositivos menos complejos y son significativamente menos costosos que los productos giratorios. También ofrecen menos ciclos de vida útil y a veces tienden a ser más grandes.
Los solenoides lineales tienen aplicaciones en electrodomésticos, máquinas vendedoras, seguros de puerta, cambiadores de monedas, disyuntores de circuito, bombas, aparatos médicos, transmisiones automotrices y máquinas postales, por nombrar sólo unas cuantas.
Consideraciones de aplicación para diseñar un solenoide: Carrera Fuerza o par Tensión Corriente / energía Ciclo de servicio Temperatura Tiempo/velocidad de operación Aspectos ambientales CA / CD Vida útil Carrera Al aplicar solenoides, mantenga la carrera tan breve como sea posible para mantener el tamaño, peso y consumo de energía al mínimo. Fuerza Se aplica a productos lineales. La fuerza de arranque típicamente es más importante que la fuerza de terminación. Se sugiere un factor de seguridad de 1.5. Por ejemplo, una aplicación que requiera 3 libras de fuerza deberá emplear un solenoide que proporcione al menos 4.5 libras de fuerza. La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado del entrehierro con los diseños de émbolo de cara plana. El entrehierro es el espacio en el circuito magnético que permite que la armadura se mueva sin interferencia y el flujo magnético para circular con resistencia mínima (reluctancia).
Toroide
El toroide, lo que comúnmente puede recordarnos a la forma de un donuts, es una superficie de revolución generada cuando una circunferencia gira alrededor de una recta, que representa el eje, en su plano, y que no la corta, es exterior a ella. Dicha figura geométrica está definida por dos parámetros: el radio del círculo que define el toroide, medido desde el origen y el radio del tubo, la distancia perpendicular desde dicho círculo a la superficie del toroide. Normalmente el radio del círculo es mayor que el del tubo. Una posible definición podría ser la siguiente:
Desde el punto de vista topológico, el toroide es una superficie cerrada, que se define como el producto cartesiano de dos circunferencias, es decir, teniendo dos conjuntos de puntos pertenecientes a las dos circunferencias, establecemos todos los pares ordenados entre elementos de ambos conjuntos de puntos, dando lugar a otro conjunto.
El toroide se aplica en muchas disciplinas diferentes, como por ejemplo en la teoría de supercuerdas, donde se la conoce como la forma perfecta, siendo aceptado como modelo matemático para describir objetos en el espacio, tales como las cuerdas abiertas orientadas. La topología de superficies es más completa que la geometría para describir fenómenos de ese estilo, ya que trata con relaciones espaciales y temporales mucho más profundas
a astrofísica también hace uso del toroide, en el modelado de galaxias, que suelen tener forma toroidal, con agujeros blancos en el centro que expulsan energía y agujeros negros que la absorben, y rodeados de gas y polvo. Otros científicos han explorado la función de los toroides como modelos primarios de cosmología, en caso de que el universo fuese plano, por ejemplo. Otra forma toroidal es el Cinturón de Van Allen, una serie de zonas de la magnetosfera terrestre, con forma de toroide, donde se concentran las partículas cargadas, protones y electrones, moviéndose en espira entre los polos magnéticos.
En la física de partículas, la forma toroidal proporciona el mejor entorno dentro del cual poder acelerar partículas y mantener y encaminar el plasma producido por los aceleradores de partículas de la manera más eficiente. La geometría toroidal es la disposición espacial más óptima para los imanes que almacenan la energía, ya que da lugar a pequeños campos magnéticos externos. Los rusos fueron los primeros en llevar a cabo esta idea en el acelerador Tokamak, y ahora EE.UU. y Europa han mejorado el diseño con el LHC y el Tevatron. Estos dispositivos funcionan mediante el principio de fusión, la misma técnica que usa el Sol y las estrellas para producir ingentes cantidades de luz y calor. Otro uso habitual es en los circuitos eléctricos, actuando como transformador, donde gracias a la forma toroidal, el flujo magnético queda concentrado uniformemente en el núcleo, evitando la dispersión del mismo. Al cubrir toda la superficie con la bobina, desaparece prácticamente el ruido provocado por la magnetofricción y favorece un menor calentamiento.
En cuanto al diseño de entornos habitables con gravedad en el espacio, el toroide se ha convertido en la forma preferida para estaciones o colonias espaciales, tanto en la ciencia-ficción, Mundo Anillo o 2001: Odisea en el espacio, como en la realidad, con el toroide de Stanford. Consiste en un toroide, de 1,8 km de diámetro, que albergaría 10.000 personas, y que rota una vez cada minuto, proporcionando una gravedad artificial de entre 0,9g y 1,0g, en la parte interna del anillo exterior mediante la fuerza centrífuga. Incluso en el mundo de los videojuegos, en el género de estrategia concretamente, hace uso de esta forma geométrica cuando los personajes se desplazan en una dirección por el mapa y aparecen por la contraria, como si hubiesen dado la vuelta completa. Esto es lo que se conoce como un mundo toroide y ayuda a que el jugador tenga la impresión de que realmente el mundo del videojuego es esférico. Practica:
Durante la práctica utilizamos un transformador, cables caimán, material ferromagnético, un solenoide y un toroide en los cuales regamos dentro de ellos el material ferromagnético y lo esparcimos. Una vez esto listo conectamos el solenoide y toroide a corriente mediante el transformador y logramos ver como el material ferromagnético se alineaba apuntando hacia el mismo lado.
Jean-Baptiste Biot (1774 - 1862)
Nacido el 21 de Abril de 1774, en París. Fue físico, astrónomo, químico, y matemático, pero destacó en el sector de la física. Se licenció en la universidad francesa de Beauvais en 1797, y comenzó a trabajar como profesor de física en el Colegio de Francia en 1800. Fue elegido como miembro de la Academia de Ciencias francesa en 1803. También perteneció a la “Royal Society” (sociedad real), donde dejó constancia de sus ideas republicanas Desarrolló una teoría de la propagación del sonido en sólidos, estudió la polarización, fue la primera persona en descubrir las propiedades ópticas únicas de la mica, y del mineral basado en la mica denominado biotita (el nombre del mineal se puso en su honor). En el año 1804 elaboró un globo y ascendió con Joseph Gay-Lussac a una altura de cinco kilómetros en lo que sería las primeras investigaciones sobre la atmósfera terrestre. Se conoce la magnitud adimensional en termodinámica como número de Biot. En reconocimiento a sus descubrimientos Biott es una de las personas que posee el honor de tener su nombre en un cráter de la Luna. Sin embargo, Jean Baptiste Biot destaca por su “Ley de Biot y Savart”, que enuncia que la intensidad de un campo magnético dada por una corriente que va a través de un cable, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del cable. Esta relación se explica con una fórmula matemática y todavía es utilizada en parte de la teoría electromagnética moderna.
Donde μo es la permeabilidad magnética en el vacío, dl la contribución al campo magnético de un diferencial de longitud de conductor eléctrico recorrido por una intensidad I, R la distancia del punto donde se desea calcular el campo magnético B y Ur un vector unitario perpendicular a la dirección del hilo conductor, tal y como se muestra en la figura de la izquierda.
Fue recompensado por su trabajo en 1840 con una medalla otorgada por la Royal Society. Murió el 3 de Febrero de 1862, también en París.
Félix Savart (1791 - 1841)
Médico y físico francés, nacido en Mezières el 30 de Junio de 1791 y muertoen París el 16 de marzo de 1841, destacó por su contribución al estudio del fenómeno de inducción magnética. Se doctoró en Medicina en Estrasburgo y fue cirujano del ejército, después profesor de física de una institución paticular y por último conservador de los gabinetes de física del colegio de Francia. Desde 1827 perteneció a la Academia de Ciencias, donde conoció a Jean Baptiste Biot, con quien colaboró en el estudio de los fenómenos magnéticos, y elaboró la ley que lleva su nombre (Ley de Biot-Savart). Llevó a cabo investigaciones sobre múltiples temas, tal y como muestran los artículos publicados en las memorias de la citada sociedad: Memoire relatif à la construction des instruments à cordes, Mémoire sur la communication des mouvements vibratoires entre les corps solides, Recherches sur les vibrations de láir, Mémoire sur la voix humaine, Recherche sur l'élasticité des corps qui cristallisent régulierement, Recherches sur la structure des metaux.
Referencias Bibliográficas:
1. Serway, R. Jewelt Jr. J. Física para ciencias e ingenierías con física moderna (volumen II), Cengage Learning Séptima edición (2009). 2. Resnick, R., Halliday, D. Krane, K., Fisica (volumen 2), Patria, Quina-8va reimpresión (2009). 3. Ohanian, H., Markert, J., Física para ingeniería y ciencias (volumen 2), Mc. Graw Hill, Tercera edición (2009).
