Interacción entre campos magnéticos y corrientes eléctricas. Campos magnéticos creados por corrientes

1. 4.- Interacción entre campos magnéticos y corrientes eléctricas.
Campos magnéticos creados por corrientes.
4.1.- Excitación magnética
Oersted descubrió experimentalmente que una corriente eléctrica crea
un campo magnético a su alrededor.
Más tarde se descubrió que para potenciar el campo magnético era
necesario formar bobinas de muchas espiras y además, enrollarlas sobre
materiales ferromagnéticos. De esta forma se obtienen campos magnéticos de
valores elevados.
La capacidad de una bobina para crear un campo magnético se llama
excitación magnética (H).
Ampere formuló un teorema del cual se deduce que H depende del
número de espiras, de la intensidad de corriente y de la longitud de la línea de
fuerza media del campo, pero no del medio físico donde esté la bobina.
Matemáticamente
L
I
H
∗
= (4)
donde:
N: número de espiras. Se mide en vueltas (v).
I: intensidad de corriente en amperios (A)
L: longitud de la línea de fuerza media en metros (m)
Nota: al producto N*I se le conoce como fuerza magnetomotriz y sus unidades son amperios-vuelta (Av).
Por tanto las unidades de H son 





m
Av
.

2. 4.2.- Influencia del material (núcleo de la bobina)
Es obvio que si buscamos aprovechar la H de una bobina, tendremos que
enrollarla sobre material ferromagnético. De esta forma obtendremos campos
magnéticos elevados. Matemáticamente
L
I
HB
∗
∗=∗= µµ (5)
En la fig. 13 podemos ver un núcleo de material ferromagnético sobre el
que se enrolla una bobina. Obsérvese como el campo magnético es “atraído”
por el núcleo al ser mucho mejor conductor magnético que el aire ambiental.
Podemos decir entonces que el campo magnético, circula por el hierro y no por
el aire. Acabamos de crear un electroimán.
Finalmente si S es la sección transversal del núcleo ferromagnético, B y
la sección son perpendiculares (fig 14), luego para el cálculo del flujo podemos
aplicar la expresión (1). Tenemos entonces
Fig. 13.- Campo magnético de una bobina con núcleo ferromagnético
Fig. 14.- Detalle de la sección transversal del núcleo

3. S
L
I
SHSB ∗
∗
∗=∗∗=∗= µµφ (6)
donde:
S: sección transversal del núcleo en (m2
).
Actividad 6
Partiendo de la expresión (5), deducir las unidades de la permitividad
magnética absoluta (µ).
Actividad 7
Se tiene un núcleo de material
ferromagnético cuadrado (fig. 15)
sobre el que se enrolla una bobina
de 100 espiras por la que se hacen
pasar 2 (A). Determinar:
1.- La excitación magnética
2.- La inducción y el flujo del campo
magnético si el material es una
ferrita de permitividad relativa 2000.
3.- La inducción y el flujo del campo
magnético si el material es mumetal
de permitividad relativa 10.000.
4.- Comparar los resultados.
4.3.- Sentido del campo magnético. Regla de la mano derecha.
Ya vimos como calcular la inducción (B) y el flujo (φ ) creados por una
bobina en un núcleo de material ferromagnético. Falta por determinar el
sentido del campo magnético, que depende del arrollamiento y del sentido de la
corriente.
Se aplica la “regla de la mano derecha”. En ella, se simula el
arrollamiento con los dedos de la mano y, el pulgar indica el sentido del campo.
En la fig. 16 vemos como la intensidad entra por el extremo de arriba de la
bobina. El conductor “abraza” el núcleo desde adelante hacia atrás; esa es la
situación de debemos simular con la mano derecha. Finalmente el pulgar nos
indica el sentido del campo.
Fig. 15

4. Ejemplos
Veamos el sentido del campo magnético en las fig. 17a, 17b,17c y 17d.
Fig. 16.- Aplicación de la regla de la mano derecha

5. El contactor.
El contactor es un elemento
fundamental en las instalaciones
eléctricas y frigoríficas. Se utiliza
para conectar y desconectar el
compresor de una instalación
frigorífica. Se basa en el campo
magnético creado por una bobina
con núcleo ferromagnético (fig 18).
Si se conecta la bobina de la
pieza ferromagnética 1, a una
fuente de tensión, por ella circulará
corriente. Esta corriente origina un
campo magnético y este a su vez,
una fuerza de atracción sobre la
pieza ferromagnética 2, que se
pega a la pieza 1. Este movimiento
arrastra a los contactos eléctricos
que se cierran conectando el
compresor. La desconexión sigue un
proceso inverso.
Fig. 18.- Funcionamiento del contactor
Fig. 19.- Aspecto y despiece del contactor

6. La válvula solenoide.
Solenoide es sinónimo de bobina y de electroimán. La válvula solenoide
se utiliza en las instalaciones frigoríficas para abrir y cerrar el paso de líquido
refrigerante hacia el evaporador (fig. 20). Estos procesos de apertura y cierre
se deben a la fuerza del campo magnético de la bobina sobre un vástago. Al
igual que el contactor, la filosofía es conectar-desconectar la tensión de la
bobina.
El interruptor automático (PIA)
En los cuadros de protección de las instalaciones eléctricas encontramos
“Pequeños Interruptores Automáticos (PIA)”, que protegen frente a
cortocircuitos gracias a la fuerza ejercida por una bobina sobre un vástago. Un
cortocircuito es una corriente muy superior a la normal, por lo que la fuerza
magnética también será superior a la normal y suficiente para abrir los
contactos (Fig. 21 )
Fig. 20.- Aspecto de una válvula solenoide

7. 4.4.- Ley de Hopkinson. Circuitos magnéticos
Hopkinson tuvo la idea de formular una analogía entre circuitos eléctricos
y magnéticos, reflejada en la siguiente tabla.
CIRCUITO
ELECTRICO
CIRCUITO
MAGNÉTICO
El conductor Cobre ,aluminio Material ferromagnético
Lo que circula
Intensidad de corriente
(I)
Flujo magnético
(φ )
La causa de que
circule
Fuerza electromotriz
(Fem)
Fuerza magnetomotriz
(Fmm)
La oposición a que
circule
Resistencia eléctrica
(R)
Reluctancia magnética
(ℜ )
Ley fundamental
Ley de Ohm
R
Fem
I =
Ley de Hopkinson
ℜ
=
Fmm
φ
Por tanto se puede resolver un circuito magnético aplicando las mismas
técnicas que en los circuitos eléctricos, siendo el flujo magnético lo que circula
sobre núcleos de material ferromagnético. Hopkinson definió la ley que lleva su
nombre.
ℜ
∗
=
ℜ
=
IFmm
φ (7)
Fig. 21.

8. donde:
φ : flujo en webers (Wb)
Fmm: fuerza magnetomotriz ; unidades Amperios-vuelta [Av]
ℜ : reluctancia; unidades 



⇒=ℜ⇒
Wb
AvFmm
φ
Por tanto, la reluctancia de un circuito magnético es la oposición que este
presenta a la circulación del flujo magnético.
Ejemplo de la Ley de Hopkinson
¿Qué ocurrirá en un circuito
magnético, si extraemos un trozo de
hierro de 1 cm de longitud,
suponiendo que la intensidad de la
bobina no varía? (Fig.22)
Fig. 22

9. • Donde antes había hierro, ahora hay aire, luego la reluctancia del circuito
magnético aumenta mucho, porque el aire es diamagnético.
• Como nos dicen que la intensidad no varía, la Fmm tampoco (N*I
permanece constante).
• Luego
DISMINUYE
aumenta
varíano
→⇒≡
ℜ
∗
=
ℜ
= φφ
IFmm
Detalle de ampliación de conocimientos
El pequeño espacio de aire entre dos piezas ferromagnéticas se llama
entrehierro. Todas las máquinas eléctricas rotativas (motores y generadores),
presentan un entrehierro entre la parte estática (estator) y la parte giratoria
(rotor). Ver fig .23
Fig. 23.- Entrehierro en una máquina eléctrica rotativa