El magnetismo

Los imanes se atraen o repelen según la posición 

en la que coloque uno con respecto al otro.

Indicador de logro: Reconoce e interpreta el concepto del magnetismo.

Competencia: Reconozco e interpreto el concepto de magnetismo.

Palabras claves: Imán, magnetismo, electromagnetismo, ferromagnéticas, polos, atracción, repulsión, campo magnético.

Pregunta generadora:

¿Por qué es importante reconocer el concepto de magnetismo?

Situación de aprendizaje

Es un fenómeno debido a las propiedades de algunas sustancias llamadas ferromagnéticas, ejemplo de estas sustancias son el hierro y el níquel. Con seguridad ha experimentado que un imán ejerce fuerza de atracción sobre un trozo de hierro.

William Gilbert observó y describió la interacción entre el hierro y la magnetita y analizó la interacción entre dos imanes. Cuando acercamos dos imanes podemos diferenciar dos zonas, que se repelen o atraen. A dichas zonas se le conoce con el nombre de polos: norte y sur. Los polos del mismo nombre se repelen y los polos de diferente nombre se atraen.

Los imanes se ejercen fuerzas de atracción y repulsión. 

Las fuerzas miden igual pero sus direcciones son contrarias.

A  pesar de la semejanza que hay entre los fenómenos eléctricos y los magnéticos, en términos de las fuerzas de atracción y repulsión, hay una propiedad que los distingue profundamente: no es posible aislar un polo norte o un polo sur, contrario a lo que ocurre con las cargas eléctricas, que sí existen las positivas y negativas, unas independientemente de las otras. Si partimos un imán por la mitad, encontramos que cada mitad se comporta como un imán nuevo con su polo norte y su polo sur.

Los polos de un imán no se pueden separar. Si se parte un imán 

en trozos, cada uno de los trozos es un imán.

El campo magnético  que genera un imán es como atrae objetos de hierro que se encuentran en sus cercanías, aún sin establecer contacto con ellos, el cual tiene características especiales al espacio que lo rodea.

Acción de imán sobre limaduras de hierro

Al colocar limaduras de hierro sobre una hoja de papel apoyada sobre un imán recto, las limaduras se magnetizan por efecto de su cercanía al imán. Las limaduras se comportan como agujas imantadas que se orientan y producen un patrón de líneas de campo magnético. A las líneas de campo se les asigna dirección, decimos que salen del polo norte y entran en el polo sur.

Configuración de las líneas de campo producidas por un imán recto.

El campo magnético terrestre. Al usar la brújula o tomar una aguja imantada y la dejamos girar libremente, esta siempre se orientará en la misma dirección norte-sur; esta es la razón por la cual los polos de un imán reciben los nombres de polo norte y sur. El polo norte de un imán indicará siempre el polo norte geográfico de la tierra. La brújula es un elemento indispensable en muchas actividades que tienen que ver con los puntos geográficos de la tierra.

La brújula instrumento creado por los chinos, posee una aguja imantada, 

suspendida sobre un eje, que gira en forma libre siempre indicando la dirección norte-sur.

El campo magnético de la tierra se comporta como un enorme imán, esto se puede probar al hacer uso de brújula, puesto que el polo norte de la aguja imantada indica siempre el polo norte geográfico luego concluimos que el polo sur magnético coincide con su polo sur geográfico.

La tierra se comporta como un enorme imán.

Cuando se descubrió que una corriente eléctrica presentaba un comportamiento semejante a un imán, nació la rama de la física conocida como electromagnetismo. Chirstian Oersted, observó que la aguja de una brújula variaba su orientación al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella, concluyendo que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno. 

El electromagnetismo es la base del funcionamiento de todos los motores  y generadores eléctricos.

APLICACIONES DEL ELECTROMAGNETISMO

Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Debido a sus múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.

Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de caballo hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.

Un motor eléctrico contiene un número mucho más pequeño de piezas mecánicas que un motor de combustión interna o uno de una máquina de vapor, por lo que es menos propenso a los fallos. Los motores eléctricos son los más ágiles de todos en lo que respecta a variación de potencia y pueden pasar instantáneamente desde la posición de reposo a la de funcionamiento al máximo. Su tamaño es más reducido y pueden desarrollarse sistemas para manejar las ruedas desde un único motor, como en los automóviles.

Partes de un motor

Elementos que conforman las partes de un motor

Partes de un pequeño motor común de corriente directa. (CD) desarmado. Un motor común de corriente directa o continua se compone de las siguientes partes o piezas:

Carcasa metálica o cuerpo del motor. Aloja en su interior, de forma fija, dos imanes permanentes con forma de semicírculo, con sus correspondientes polos norte y sur.

Rotor o parte giratoria del motor. Se compone de una estructura metálica formada por un conjunto de chapas o láminas de acero al silicio, troqueladas con forma circular y montadas en un mismo eje con sus correspondientes bobinas de alambre de cobre, que lo convierten en un electroimán giratorio. Por norma general el rotor de la mayoría de los pequeños motores de CD se compone de tres enrollados o bobinas que crean tres polos magnéticos. Los extremos de cada una de esas bobinas se encuentran conectados a diferentes segmentos del colector.

Colector o conmutador. Situado en uno de los extremos del eje del rotor, se compone de un anillo deslizante seccionado en dos o más segmentos. Generalmente el colector de los pequeños motores comunes de CD se divide en tres segmentos.

Escobillas. Representan dos contactos que pueden ser metálicos en unos casos, o compuesto por dos piezas de carbón en otros. Las escobillas constituyen contactos eléctricos que se deslizan por encima de los segmentos del colector mientras estos giran. Su misión es suministrar a la bobina o bobinas del rotor a través del colector, la corriente eléctrica directa necesaria para energizar el electroimán. En los pequeños motores las escobillas normalmente se componen de dos piezas o flejes metálicos que se encuentran fijos en la tapa que cierra la carcasa o cuerpo del motor.

Tapa de la carcasa. Es la tapa que se emplea para cerrar uno de los extremos del cuerpo o carcasa del motor. En su cara interna se encuentran situadas las escobillas de forma fija. El motor de esta foto utiliza en función de escobillas dos flejes metálicos.

El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor.

Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.

Generador de corriente eléctrica. Un generador es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía mecánica en energía eléctrica. Lo consigue gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se denomina estátor. Cuando un generador eléctrico está en funcionamiento, una de las dos partes genera un flujo magnético (actúa como inductor) para que el otro lo transforme en electricidad (actúa como inducido). Los generadores eléctricos se diferencian según el tipo de corriente que producen. Así, nos encontramos con dos grandres grupos de máquinas eléctricas rotativas: los alternadores y las dinamos. Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. El elemento inductor es el rotor y el inducido el estátor. Un ejemplo son los generadores de las centrales eléctricas, las cuales transforman la energia mecánica en eléctrica alterna. Las dinamos generan electricidad en corriente continua. El elemento inductor es el estátor y el inducido el rotor. Un ejemplo lo encotraríamos en la luz que tiene una bicicleta, la cual funciona a través del pedaleo

Máquinas eléctricas rotativas: los generadores Llamamos máquinas eléctricas a los dispositivos capaces de transformar energía eléctrica [1] en cualquier otra forma de energía. Las máquinas eléctricas se pueden dividir en: Máquinas eléctricas rotativas, que están compuestas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores y motores. Máquinas eléctricas estáticas, que no disponen de partes móviles, como los transformadores. Vamos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas, que lo constituyen los motores y los generadores. Las máquinas eléctricas rotativas son reversibles, yq que pueden trabajar de dos maneras diferentes: Como motor eléctrico: Convierte la energía eléctrica en mecánica. Como generador eléctrico: Convierte la energía mecánica [1] en eléctrica

Las máquinas eléctricas se pueden dividir en rotativas y estáticas. En este caso vamos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas que lo constituyen los motores y los generadores. Todas las máquinas rotativas están formada por una parte fija llamada estátor, tiene forma cilíndrica, y otra móvil llamada rotor. El rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos o cojinetes. El espacio de aire que separa el estátor del rotor, necesario para que pueda girar la máquina se denomina entre hierro. Normalmente tanto en el estátor como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que constituye el sistema eléctrico. Uno de los devanados crea un flujo en el entre hierro y se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se denomina inducido. De igual manera, se podría situar el inductor en el estátor y el inducido en el rotor o viceversa.

Esquema básico y funcionamiento del transformador

Esquema básico de funcionamiento de un transformador ideal

Los transformadores se basan en la induccion electromagnetica. Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.

Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.

La relación de transformación del transformador eléctrico

Una vez entendido el funcionamiento del transformador vamos a observar cuál es la relación de transformación de este elemento. 

Donde N p es el número de vueltas del devanado del primario, N s el número de vueltas del secundario, V pla tensión aplicada en el primario, V s la obtenida en el secundario, I s la intensidad que llega al primario, I pla generada por el secundario y r t la relación de transformación.

Como observamos en este ejemplo si queremos ampliar la tensión en el secundario tenemos que poner más vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario si queremos reducir la tensión del secundario.

Tipos de transformadores eléctricos

Hay muchos tipos de transformadores pero todos están basados en los mismos principios básicos, Pueden clasificarse en dos grandes grupos de tipos básicos: transformadores de potencia y de medida.

Transformadores de potencia

Los transformadores eléctricos de potencia sirven para variar los valores de tensión de un circuito de corriente alterna, manteniendo su potencia. Como ya se ha explicado anteriormente en este recurso, su funcionamiento se basa en el fenómeno de la inducción electromagnetica. 

Transformadores eléctricos elevadores

Los transformadores eléctricos elevadores tienen la capacidad de aumentar el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del devanado secundario es mayor al del devanado primario.

Modelización de un transformador elevador


Transformadores eléctricos reductores

Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del devanado primario es mayor al secundario.

Podemos observar que cualquier transformador elevador puede actuar como reductor, si lo conectamos al revés, del mismo modo que un transformador reductor puede convertirse en elevador.

Modelización de un transformador reductor


Autotransformadores

Modelización de un autotransformador

Se utilizan cuando es necesario cambiar el valor de un voltaje, pero en cantidades muy pequeñas. La solución consiste en montar las bobinas de manera sumatoria. La tensión, en este caso, no se introduciría en el devanado primario para salir por el secundario, sino que entra por un punto intermedio de la única bobina existente.

Esta tensión de entrada (V p) únicamente recorre un determinado número de espiras (N p), mientras que la tensión de salida (Vs) tiene que recorrer la totalidad de las espiras (N s).

Transformadores de potencia con derivación

Son transformadores de elevación o reducción, es decir, elevadores o reductores, con un número de espiras que puede variarse según la necesidad. Este número de espiras se puede modificar siempre y cuando el transformador no esté en marcha. Normalmente la diferencia entre valores es del 2,5% y sirve para poder ajustar el transformador a su puesto de trabajo.

Transformadores eléctricos de medida

Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para poderlas medir sin peligro.

Transformadores eléctricos de intensidad

El transformador de intensidad toma una muestra de la corriente de la línea a través del devanado primario y lo reduce hasta un nivel seguro para medirlo. Su devanado secundario está enrollado alrededor de un anillo de material ferromagnético y su primario está formado por un único conductor, que pasa por dentro del anillo.

El anillo recoge una pequeña muestra del flujo magnético de la línea primaria, que induce una tensión y hace circular una corriente por la bobina secundaria.

Transformador eléctrico potencial

Se trata de una máquina con undevanado primario de alta tensión y uno secundario de baja tensión. Su única misión es facilitar una muestra del primero que pueda ser medida por los diferentes aparatos.

Posibles conexiones de un transformador trifásico con la fuente de alimentación

Transformadores trifásicos

Debido a que el transporte y generación de electricidad se realiza de forma trifásica, se han construido transformadores de estas características.

Hay dos maneras de construirlos: una es mediante tres transformadores monofásicos y la otra con tres bobinas sobre un núcleo común.

Esta última opción es mejor debido a que es más pequeño, más ligero, más económico y ligeramente más eficiente.

Esquema de un timbre eléctrico

El timbre eléctrico es un dispositivo capaz de producir una señal sonora al pulsar un interruptor. Su funcionamiento se basa en fenómenos electromagnéticos.

Consiste en un circuito electrico compuesto por un generador, un interruptor y un electroimán. La armadura del electroimán está unida a una pieza metálica llamada martillo, que puede golpear una campana pequeña.

Funcionamiento. Al cerrar el pulsador, la electricidad circula por el enrollamiento del electroimán y este crea un campo magnetico en su núcleo y atrae la armadura. El martillo, soldado a la armadura, golpea la campana produciendo el sonido. Al abrir el interruptor cesan la corriente y el campo magnético del electroimán, y un resorte devuelve la armadura a su posición original para interrumpir el sonido.

Para conseguir que el martillo golpee la campana repetidamente mientras el interruptor esté cerrado, y no una sola vez, se sitúa un contacto eléctrico en la armadura que actúa como un interruptor. Así, cuando la armadura es atraída por el electroimán, se interrumpe el contacto, cesa la corriente en el electroimán y la armadura retrocede a su posición original. Allí vuelve a establecerse el contacto eléctrico, con lo que el electroimán vuelve a atraer a la armadura, y así sucesivamente.

Modernamente, muchos timbres no tienen interruptor, basándose en golpear la campana al doble de la frecuencia de la red. Tienen la ventaja de ser más fiables y más duraderos, ya que no se ensucian ni se desgastan los contactos del interruptor. Algunos no tienen ni campana, bastando la vibración de los contactos transmitida a la caja del timbre. A veces se llama zumbadores a estos timbres sin campana, porque el sonido que producen es un zumbido; Normalmente este se usa en oficinas, escuelas e institutos para avisar que es la hora de cambiar de clase o si hay algún incendio. Historia Joseph Henry, un científico estadounidense y primer secretario de la Institución Smithsonian, inventó el timbre eléctrico en 1831.

Vídeos y material de refuerzo.

1. https://www.youtube.com/watch?v=cvoYGPe9NWk

2. https://www.youtube.com/watch?v=RAth_4-5SKs

3. swf: http://departamentofyq.wesped.es/aulavirtual/mod/resource/view.php?id=49

4. swf: http://recursostic.educacion.es//bancoimagenes/ArchivosAnimaciones/DVD01/CD01/178036_am_1.swf

5. http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/1esobiologia/1quincena4/imagenes1/luna.swf

6. http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/2-CD-Fiisca-TIC/2-1Gravitacion/Flash/fasesLunaeclipses.swf

7. http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/1esobiologia/1quincena3/index_1quincena3.htm

8. https://www.youtube.com/watch?v=ZEv-O65BJY8

9. https://www.youtube.com/watch?v=nwYyXHsg6dM.

Bibliografía

1. Universidad de Navarra. Carlos Pérez
2. https://www.youtube.com/watch?v=cvoYGPe9NWk
3. https://www.youtube.com/watch?v=RAth_4-5SKs
4. swf: http://departamentofyq.wesped.es/aulavirtual/mod/resource/view.php?id=49
5. swf: http://recursostic.educacion.es//bancoimagenes/ArchivosAnimaciones/DVD01/CD01/178036_am_1.swf
6. http://www.astromia.com/tierraluna/fasesluna.htm
7.http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/1esobiologia/1quincena4/imagenes1/luna.swf
8. http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/2-CD-Fiisca-TIC/2-1Gravitacion/Flash/fasesLunaeclipses.swf
9.http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/1esobiologia/1quincena3/index_1quincena3.htm
10.https://www.youtube.com/watch?v=ZEv-O65BJY8