PRINCIPIOS Y LEYES DE MAQUINAS ELECTRICAS
OBJETIVO: Describir las leyes eléctricas y magnéticas que caracterizan el funcionamiento de las máquinas eléctricas, así como los dispositivos eléctricos más elementales en la generación y consumo de la energía eléctrica.
INTRODUCCIÓN Se puede decir que la electrónica es una extensión de la electricidad, aparecida como consecuencia de los avances en la evolución de la ciencia eléctrica. En electrónica, se trabaja también con todos los principios eléctricos, ya que cualquier sistema electrónico, por simple o complicado que sea, se alimenta con energía eléctrica, y por tanto, ya existe un proceso eléctrico. La electricidad es un tipo de energía, y como tal, capaz de realizar trabajo. Al igual que ocurre con la fuerza magnética, no es visible, pero su existencia queda claramente manifiesta por los efectos que produce. Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o convertir energía eléctrica en energía mecánica. Cuando dicho dispositivo se usa para convertir energía mecánica en energía eléctrica se llama generador. Asimismo, cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica, se le denomina motor. Puesto que una máquina eléctrica puede convertir potencia potenc ia en uno u otro sentido, cualquier máquina se puede usar como generador o como motor. Prácticamente, todos los motores y generadores convierten energía de una forma en otra, mediante la acción de un campo magnético. Otro dispositivo estrechamente relacionado con los campos magnéticos es el transformador. Un transformador, es un dispositivo que convierte energía eléctrica de corriente alterna con un nivel de voltaje en energía eléctrica con otro nivel de voltaje (manteniendo constante la potencia). Como los transformadores operan bajo los mismos principios que los generadores y los motores, dependiendo de la acción de un campo magnético para efectuar el cambio en el nivelde voltaje, usualmente se estudian junto con los generadores y motores.Estos tres tipos de dispositivos eléctricos están presentes en todos los aspectos de la vida moderna: En el hogar, por ejemplo, los motores eléctricos eléctricos accionan..neveras, congeladores, aspiradoras, batidoras, ventiladores, aire acondicionado y muchos otros equipos
similares. En los sitios de trabajo, proporcionan la fuerza motriz para casi todas las herramientas. Los generadores, son necesarios para suministrar la potencia utilizada por todos estos motores. Los transformadores, son parte fundamental en la transmisión y distribución de la energía eléctrica. ¿Por qué son tan comunes los transformadores, generadores y los motores eléctricos? La respuesta es muy simple: la potencia eléctrica es una fuente de energía limpia y eficiente. Un motor eléctrico, no requiere de la ventilación permanente, ni del sistema de combustible que necesita una máquina de combustión interna, por lo cual resulta muy apropiado para usos en ambientes donde la contaminación asociada con la combustión resulta altamente perjudicial. La conversión de energía térmica o mecánica en energía eléctrica puede efectuarse en sitios distantes, luego transmitirse por alambres hasta el sitio donde ha de utilizarse en cualquier casa, oficina o fábrica. Los transformadores colaboran en este proceso reduciendo las pérdidas de potencia entre el sitio de generación de la energía eléctrica y el sitio de su utilización.
CONSTRUCCION DE UNA MAQUINA ELECTRICA Desde el punto de vista electromagnético, estas máquinas se pueden considerar constituidas por un conjunto magnético y dos circuitos eléctricos: uno en el rotor y otro en el estator. Uno de los devanados o arrollamientos, al ser recorrido por una corriente eléctrica, produce la fuerza magnetomotriz necesaria para crear el flujo que se establece en el conjunto magnético de la máquina, por lo que se denomina arrollamiento inductor o de excitación. En el otro enrollamiento, denominado inducido, se induce una fuerza electromotriz, que da lugar a un par motor (es el caso de la máquina eléctrica actuando como motor), o bien a una fuerza contra electromotriz, que produce un par resistente (caso de máquina eléctrica funcionando como generador).
Por lo general, y como se puede observar en la figura, estator y rotor van provistos de unas ranuras, en las cuales se disponen los enrollamientos.
Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica produce los amperivueltas necesarios para crear el flujo establecido en el conjunto de la máquina. Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en rotativas y estáticas: •
Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores.
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Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores.
En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estátor y una parte móvil llamada rotor. Normalmente el rotor gira en el interior del estátor. Al espacio de aire existente entre ambos se le denomina entrehierro
PRINCIPIOS DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS
CAMPO ELECTRICO Las cargas eléctricas dan lugar también a lo que se conoce por campo eléctrico, lo cual se puede manifestar experimentalmente. Se trata de una fuerza similar a la magnética, invisible, de acción a distancia, y que puede ser de atracción o repulsión. Se puede decir,que existe una fuerza de campo eléctrico en un cierto punto del espacio. Si en dicho punto se ejerce fuerza sobre cualquier otro tipo decarga. Así la situación de un cuerpo cargado eléctricamente puede ejercer cierta fuerza sobre otras cargas situadas a su alrededor, y en cierta región del espacio se dice que existe un campo eléctrico. De otra manera, el concepto de carga eléctrica se ha establecido como una especie de porción de electricidad capaz de ejercer una influencia en otras porciones que existan en su proximidad. La región que rodea una carga es, por tanto, donde se manifiestan las fuerzas eléctricas; esta región se llama campo eléctrico Michael Faraday desarrolló una ingeniosa ayuda para visualizarlos campos eléctricos. El método consiste en representar tanto la intensidad como la dirección de un campo eléctrico por medio de líneas imaginarias llamadas líneas de campo eléctrico.
La intensidad del campo eléctrico, E , en un punto del espacio se define como: la fuerza, F , que se ejerce sobre la unidad de carga eléctrica positiva, q, situada en dicho punto.
La permisividad del espacio libre (vacío) ε es una constante de espaciamiento, fundamental para determinar la intensidad de campo eléctrico en una superficie esférica cerrada. En cálculos más complejos sobre este tema, se estima que tiene un valor de:
⁄
⁄ de la ley de columb
CAMPO MAGNETICO
Todo imán está rodeado por un espacio en el cual se manifiestan sus efectos magnéticos. Dichas regiones se llaman campos magnéticos. Así como las líneas de campo magnético, llamadas líneas de flujo, son muy convenientes para visualizar los campos magnéticos. La dirección de una línea de flujo en cualquier punto tiene la misma dirección de la fuerza magnética que actuaría sobre un imaginario polo norte aislado y colocado en ese punto. Las líneas de flujo magnético salen del polo norte de un imán y entran en el polo sur. A diferencia de las líneas de campo eléctrico, las líneas de flujo magnético no tienen puntos iniciales o finales.
El flujo magnético (Φ).
Se denomina flujo magnético a la cantidad de líneas de fuerza que genera un campo magnético. La letra griega Φ representa el flujo magnético. En el sistema de unidades internacionales es la unidad weber (Wb).
La inducción magnética (B). La inducción magnética se refiere a la concentración o la densidad de líneas de fuerzas que atraviesan una unidad de superficie. La inducción magnética esta representada por la letra o símbolo B. En el sistema internacional la unidad es el TESLA (T). Sin embargo, en el sistema de Gauss la unidad es el Gauss (G) La siguiente fórmula define la inducción magnética:
PERMEABILIDAD MAGNETICA
La permeabilidad es la capacidad que tiene una sustancia para atraer y dejar pasar a las líneas de fuerza o el campo magnético. Existen tres tipos de permeabilidad: la permeabilidad relativa, la permeabilidad absoluta y la permeabilidad del vacio. 1. La permeabilidad relativa. Se designa por las letras o símbolo μr . La permeabilidad relativa esta definida en función de la capacidad que tiene un material o sustancia de aumentar el n° de las líneas de fuerza.
2. La permeabilidad absoluta. Es la que se utiliza en realidad, porque relaciona la intensidad de campo magnético producido por una bobina con la inducción magnética. Se designa con la letra o símbolo μ. La unidad en el sistema internacional es el henrios/metro (H/m) y la fórmula para calcularla es:
3. La permeabilidad de vacio. También conocida como permeabilidad del aire. Se designa con las letras o símbolo μ0. Su fórmula es:
Hay que tener claro que la permeabilidad es un coeficiente de los materiales pero que no es constante porque depende directamente de la inducción magnética.
LEY DE MICHAEL FARADAY Un campo eléctrico puede producir un campo magnético. Pero el proceso inverso también es cierto: un campo magnético puede generar un campo eléctrico. Una corriente eléctrica se genera mediante un conductor que tiene un movimiento relativo con respecto a un campo magnético. Una bobina giratoria en un campo magnético induce una fem alterna, la cual origina una corriente alterna. A este proceso se le llama inducción electromagnética y es el principio de operación en el cual se basan muchos dispositivos eléctricos. Ley de Faraday Michael Faraday (1791-1867), físico y químico británico, conocido principalmente por sus descubrimientos de la inducción electromagnética y de las leyes de la electrólisis. Las investigaciones que convirtieron a Faraday en el primer científico experimental de su época las realizó en los campos de la electricidad y el magnetismo. En 1821 trazó el campo magnético alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica (la existencia del campo magnético había sido observada por vez primera por el físico danés Hans Christian Oersted en 1819). En 1831 Faraday descubrió la inducción electromagnética, y el mismo año demostró la inducción de una corriente eléctrica por otra. Faraday descubrió que… “Cuando las líneas de flujo magn ético son cortadas por un conductor, se produce
una fem entre los extremos de dicho conductor. Esta fem que se induce es debido al movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético”. También, “la magnitud de la fem generada en una espira es prop orcional a la rapidez de variación del flujo magnético en la unidad de tiempo”.
Cuanto mayor sea la cantidad de líneas de fuerza cortadas por la espira y más rápido sea el movimiento, mayor es la magnitud de fem inducida. Esto se conoce por la ley de Faraday de la inducción electromagnética. Matemáticamente es expresada por: Esta fórmula es la expresión matemática de una velocidad; en este caso, la de variación del flujo magnético. El signo negativo es para indicar que la fem inducida será siempre de signo tal que se opondrá ala causa que la origina (ley de Lenz). Cuando se trata de especificar únicamente el valor absoluto de la fem, se puede prescindir de dicho signo.
La fem inducida se mide en volts. En el caso de una bobina de N espiras (vueltas de la bobina), como éstas están en serie, la fem inducida es la suma de las inducciones en cada espira. Se tiene entonces:
Cuando movemos un imán permanente por el interior de una bobina solenoide formada por un enrollado de alambre de cobre con núcleo de aire, el campo magnético del imán provoca en las espiras del alambre la aparición de una fuerza electromotriz (FEM) o flujo de corriente de electrones. Este fenómeno se conoce como “inducción magnética”. La existencia de ese flujo de electrones o corriente eléctrica circulando por las espiras del alambre se puede comprobar instalando un galvanómetro (G) en el circuito de la bobina solenoide, tal como se muestra a continuación.
La generación de la corriente eléctrica o fuerza electromotriz que se produce. por “inducción magnética” cuando movemos un imán
por el interior de la. bobina solenoide (A), provoca la circulación de corriente eléctrica por la. bobina (B) y la aparición a su alrededor de un “campo electromagnético”. durante todo el tiempo que
mantengamos moviendo el imán por el interior de. la bobina (A).
LEY DE LENZ En todos los estudios acerca de los fenómenos físicos, hay un principio que sirve de guía y que se destaca sobre todos los demás: el principio de la conservación de la energía. No puede existir una fem sin una causa. Siempre que una corriente inducida produce calor o realizar trabajo mecánico, la energía necesaria debe provenir del trabajo efectuado para inducir la corriente. Un polo norte de un imán introducido en una bobina induce una corriente que a su vez origina otro campo magnético. El segundo campo produce una fuerza que se opone a la fuerza original. Si se retira el imán se crea una fuerza que se opone a la retirada del imán.
Por tal, la ley de Lenz es: “Una corriente inducida fluirá en una dirección tal que por medio de su campo magnético se opondrá al movimiento del campo magnético que lo produce”. “La fuerza electromotriz inducida se opone siempre a la causa que la origina”
Cuanto más trabajo se realiza al mover el imán en la bobina, mayor será la corriente inducida y, por lo tanto, mayor la fuerza de resistencia. Éste era el resultado esperado a partir de la ley de la conservación de la energía. Para producir una corriente más intensa se debe realizar una mayor cantidad de trabajo. La dirección de la corriente inducida en un conductor recto que se mueve a través de un campo magnético se puede determinar por la ley de Lenz. Sin embargo, existe un método más fácil, se conoce como regla de Fleming, o regla de la mano derecha:
REGLA DE FLEMING
La relación entre las direcciones de la f.e.m. inducida, campo magnético y movimiento del conductor se puede representar mediante la regla de Fleming; en esta se emplea una corriente convencional para determinar la dirección dela f.e.m., esta regla también es conocida como la regla de la mano derecha. Esta regla señala que se usa el pulgar para representar el movimiento del conductor sobre el campo, el cual es un movimiento perpendicular hacia arriba, el índice representa la dirección del campo magnético y el dedo representa la dirección de la f.e.m.
“Si el pulgar, el dedo índice y el dedo medio de la mano derecha se colocan en
ángulo recto entre sí, apuntando con el pulgar en la dirección en la que se mueve el alambre, y apuntando con el índice en la dirección del campo (N a S), el dedo medio apuntar á en la dirección convencional de la corriente inducida”
CONCLUSIONES
Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía cinética en otra energía, o bien, en energía potencial pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores. Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, mientras que los motores transforman la energía eléctrica en mecánica haciendo girar un eje. El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna. Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energía pero transforman sus características. Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica produce los amperivueltas necesarios para crear el flujo establecido en el conjunto de la máquina. Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en rotativas y estáticas. Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores. En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estator y una parte móvil llamada rotor. Normalmente el rotor gira en el interior del estator. Al espacio de aire existente entre ambos se le denomina entrehierro. Los motores y generadores eléctricos son el ejemplo más simple de una máquina rotativa.
BIBLIOGRAFIA MAQUINAS ELECTRICAS Chapman, 3era Edicion. FUNDAMENTOS DE MAQUINAS ELECTRICAS http://es.scribd.com/doc/37278396/U-1-Fundamento-de-las-maquinas-electricas REGLA DE FLEMING http://es.scribd.com/doc/27091879/Regla-de-La-Mano-Derecha-y-Amper
