Usos y desusos de la inteligencia artificial en revistas científicas
Principio de un motor eléctrico
1. Bobina de
Faraday
Ing. Roberto Carlos Campos Mito
Introducción a la Física (Grupo 01)
Integrantes
Flores Corpeño, Amílcar Ernesto FC101413
Navarro Campos, Miguel Antonio NC100111
Navarro Campos, Gabriela Carolina NC100113
Salazar Guerrero, Enrique Alexander SG100313
30-10-2013
2. BOBINA DE FARADAY
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Contenido
Resumen.....................................................................................................................2
Marco Teórico ...........................................................................................................3
Objetivos ....................................................................................................................4
Fundamento Teorico................................................................................................5
Alcances y Limitaciones ..........................................................................................9
Aplicaciones............................................................................................................10
Procedimientos .......................................................................................................12
Conclusiones ...........................................................................................................13
Bibliografía ...............................................................................................................14
3. BOBINA DE FARADAY
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Resumen
La ley de Faraday nos dice que la magnitud de la fem inducida en un
circuito es igual a la razón de cambio del flujo magnético a través del
circuito.
Con todos los experimentos se llegó a la conclusión que la fem se puede
inducir, al igual que la corriente, mediante una simple bobina o un simple
alambre dentro de un campo magnético.
4. BOBINA DE FARADAY
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Marco Teórico
Cualquier cambio del entorno magnético en que se encuentra una bobina
de cable, originará un "voltaje" (una fem inducida en la bobina). No
importa cómo se produzca el cambio, el voltaje será generado en la
bobina. El cambio se puede producir por un cambio en la intensidad del
campo magnético, el movimiento de un imán entrando y saliendo del
interior de la bobina, moviendo la bobina hacia dentro o hacia fuera de
un campo magnético, girando la bobina dentro de un campo magnético,
etc.
La ley de Faraday es una relación fundamental basada en las ecuaciones
de Maxwell. Sirve como un sumario abreviado de las formas en que se
puede generar un voltaje (o fem), por medio del cambio del entorno
magnético. La fem inducida en una bobina es igual al negativo de la tasa
de cambio del flujo magnético multiplicado por el número de vueltas
(espiras) de la bobina. Implica la interacción de la carga con el campo
magnético.
5. BOBINA DE FARADAY
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Objetivos
Objetivo General
Conocer y demostrar el concepto de la ley de Faradayasí como
también su funcionalidad.
Objetivos Específicos
Realizar experimentalmente la validez de la ley de Faraday.
Indicar cuáles son sus aplicaciones en la vida cotidiana.
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Fundamento Teorico
Los experimentos de Ørsted en 1820 pusieron de manifiesto que una
corriente eléctrica produce un campo magnético, del mismo tipo que el
causado por los imanes. El principio de reciprocidad, común a muchas
áreas de la física, sugería que un campo magnético causa una corriente
eléctrica. Sin embargo, durante 12 años los experimentos dieron resultados
negativos. La simple presencia de un campo magnético no produce
corriente alguna.
En 1831 Michael Faraday realizó importantes descubrimientos que
probaban que efectivamente un campo magnético puede producir una
corriente eléctrica, pero siempre que algo estuviera variando en el tiempo.
Así descubrió:
Si se mueve un imán en las proximidades de una espira, aparece una
corriente en ésta, circulando la corriente en un sentido cuando el imán
se acerca y en el opuesto cuando se aleja.
El mismo resultado se obtiene si se deja el imán quieto y lo que se
mueve es la espira.
En lugar de un imán pueden usarse dos bobinas y se obtiene el mismo
resultado. De nuevo, es indiferente cuál de las dos se mueva con tal de
que haya un movimiento relativo.
BREVE EXPLICACIÓN DE LA LEY DE FARADAY Y DE LA LEY DE LENZ
La Ley de Faraday está basada en los experimentos que hizo Michael
Faraday y establece que el voltaje (FEM, Fuerza Electromotriz Inducida)
inducido en una bobina es directamente proporcional a la rapidez de
cambio del flujo magnético por unidad de tiempo en una superficie
cualquiera con el circuito como borde:
Donde å es la FEM inducida, y Ôm es la variación delflujo magnético en un
tiempo t. Cuando el flujo magnético se da en webers y el tiempo en
segundos, la fuerza electromotriz inducida resulta en volts. Un volt es igual a
un weber-vuelta por segundo. El signo negativo se debe a que el voltaje
7. BOBINA DE FARADAY
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inducido tiene un sentido tal que establece una corriente que se opone al
cambio de flujo magnético. El cambio del número de líneas magnéticas
que pasan por un circuito induce una corriente en él, si el circuito está
cerrado, pero el cambio siempre induce una fuerza electromotriz, esté o no
el circuito cerrado.
El flujo magnético se define como el producto entre el campo magnético
y el área que éste encierra.
Razonando estas expresiones, es fácil darse cuenta de que si se produce
un cambio tanto en el campo magnético como en el área que atraviesa,
se inducirá una fuerza electromotriz. En esta experiencia lo que se variará
será el campo magnético.
Ley de Lenz
Cuando se genera una fem por cambio en el flujo magnético, de acuerdo
con la ley de Faraday, la polaridad de la fem inducida es tal que produce
una corriente cuyo campo magnético, se opone al cambio que lo
produjo. El campo magnético inducido en el interior de cualquier bucle de
cable, siempre actúa para mantener constante el flujo magnético del
bucle. En el ejemplo de abajo, si el campo B aumenta, el campo inducido
actúa en oposición. Si está disminuyendo, el campo magnético actúa en
la dirección del campo aplicado, para tratar de mantenerlo constante.
8. BOBINA DE FARADAY
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Esta ley podría haberse predicho a partir de principio de la conservación
de la energía. Cuando se mueve un imán hacia una bobina, induciéndose
así una corriente en el enrollamiento, la corriente inducida calienta el
alambre. Para proporcionar la energía necesaria para ello, se tiene que
hacer trabajo venciendo una fuerza que se opone. Si la fuerza no se
opusiera al movimiento, se estaría creando energía; por lo tanto, el campo
magnético de la corriente inducida tiene que oponerse al cambio.
Principio de un motor
El principio de funcionamiento del motor se basa en la ley de Faraday. Si
en lugar de un conductor rectilíneo con terminales en circuito abierto se
introduce un anillo conductor con los extremos conectados a una
determinada resistencia y se hace girar en el interior del campo, de forma
que varíe el flujo magnético abrazado por la misma se detectará la
aparición de una corriente eléctrica que circula por la resistencia y que
cesara en el momento en que se detenga el movimiento.
Normalmente en un motor se emplea un cierto número de espiras
devanadas sobre un núcleo magnético de forma apropiada y también en
algunas ocasiones se sustituye el imán permanente creador del campo por
un electroimán, el cual produce el mismo efecto cuando se le aplica la
corriente excitadora. A este último elemento (Imán o electroimán) se le
denomina inductor, el conjunto espiras y núcleo móviles constituyen el
inducido.
El sentido de la corriente eléctrica que circula por el inducido está definido
mediante la Ley de Lenz si esta ley se aplica a nuestro caso nos indicará
que la corriente inducida creará un campo magnético para que se
oponga al movimiento de la misma lo que obligará a aplicar un
determinada energía para mantener el movimiento la cual dependerá
lógicamente de la intensidad de la corriente generada y del valor de la
resistencia de carga , pudiendo calcularse como el producto de la energía
consumida en la carga por un número que expresará el rendimiento de la
conversión.
9. BOBINA DE FARADAY
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Ahora bien, todos los fenómenos expresados corresponden al efecto
opuesto al de un motor, es decir, que mediante el sistema descrito se
genera un corriente eléctrica a partir de un movimiento mecánico, lo que
corresponde al principio de funcionamiento de un dinamo, sin embargo, al
ser dicho efecto reversible, bastará con invertir los papeles y si en lugar de
extraer corriente del inducido se le aplica un determinada tensión exterior,
se producirá la circulación de una cierta intensidad de corriente por las
espiras y éstas comenzarán a girar, completándose así el motor.Es
importante considerar que teniendo en cuenta la ley de Lenz mencionada
anteriormente, al girar se creará en el mismo una determinada tensión
eléctrica, de sentido contrario al exterior que tenderá a oponerse al paso
de la corriente para compensar así las variaciones de flujo magnético
producidas.
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Alcances y Limitaciones
Alcances
Desarrollo de modelos más potentes para la industria.
Al desarrollarse este principio se pueden llegar a crear modelos para
diversas actividades cotidianas.
Limitaciones
Encontrar una fuente adecuada para probar nuestra bobina.
Hacer un diseño fiable de nuestra bobina.
Encontrar los materiales adecuados para la fabricación.
11. BOBINA DE FARADAY
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Aplicaciones
El número de aplicaciones de la ley de Faraday es infinito. Prácticamente
toda la tecnología eléctrica se basa en ella,así que se pueden ver
prácticamente en todas las áreas de la sociedad ya que generadores,
transformadores y motores eléctricos se basan en ella. Aquí indicamos
algunas de las aplicaciones más directas.
Generador
Al principio de este artículo se describe un generador de corriente
continua elemental, consistente en una espira que penentra en un campo
magnético. Este generador carece de utilidad práctica.
Mucho más importante es el alternador presente en la mayoría de las
centrales eléctricas. En un alternador una turbina (movida por agua o
vapor, por ejemplo) hace girar un imán (el rotor) estando rodeado por una
serie de bobinas (el estator) en las que se induce una corriente eléctrica.
Como el campo magnético se encuentra en rotación con velocidad
angular ω el resultado es una corriente alterna de frecuencia angular ω.
Cuando se usan 3 o 6 bobinas el resultado son tres corrientes alternas
desfasadas un tercio de periodo, que es lo que se conoce como corriente
alterna trifásica.
Motor eléctrico
Relacionado con el generador está el motor eléctrico, en el cual lo que se
hace es girar un electroimán (el rotor) en el interior del campo magnético
creado por otros electroimanes (el estator) haciendo que por el rotor
circule una corriente alterna se puede conseguir una rotación continuada.
Al estudiar los efectos de inducción de una bobina (primario) sobre otra
(secundario) se obtiene que en el caso ideal, el voltaje que resulta en el
secundario es proporcional al voltaje del primario. De esta manera se
puede elevar o reducir el voltaje a voluntad. El dispositivo formado por
estas dos bobinas alrededor de un núcleo es un transformador
12. BOBINA DE FARADAY
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Freno magnético
Otra aplicación directa de la ley de Faraday es su uso en frenos
magnéticos. Estos no se basan, como podría pensarse, en la atracción
magnética sobre una pieza de hierro o acero.
Cocinas de inducción
El mismo principio de los frenos magnéticos se plica si lo que queremos es
producir calor. Una cocina de inducción consiste en un imán en espiral
situado debajo de la placa vitrocerámica, que produce un campo
magnético alterno (que varía como el coseno de ωt). Al colocar sobre la
cocina un recipiente metálico se inducen corrientes de Foucault en el
propio recipiente y en el agua y alimentos que contiene. El calor liberado
por estas corrientes es el que se emplea para cocinar los alimentos.
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Procedimientos
Materiales
Alambre de cobre
Fuente de alimentación
Pinzas de caimán
Soporte para la bobina
Base para los soportes de bobina
Procedimiento
Elaborar los soportes en los cuales se montara el eje de la bobina.
Utilizar 15cm de alambre de cobre para hacer la bobina.
Montar la bobina sobre los soportes.
Electrizar los soportes con la fuente o batería dependiendo del
tamaño de la bobina.
Se coloca un imán en la parte de debajo de la bobina a modo que
el campo magnético de este afecte a la bobina.
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Conclusiones
Gracias a los descubrimientos de Faraday y Lenz estos procedimientos no
solo se pueden demostrar en teoría sino también en práctica con infinidad
de experimentos, sin este principio no se conocerían los modelos actuales
de motores DC, algo muy importante de mencionar es que en la industria
automotriz se encuentran motores como impulsores de los nuevos
automóviles en sustitución de los añejos y obsoletos motores a gasolina
generadores de casi el 30% de la polución mundial ayudando a reducir la
contaminación ambiental; prácticamente toda la tecnología eléctrica se
basa en en este principio y está presente en todos los ámbitos de la vida
cotidiana.
