Fuerza y Momento de Torsión
La corriente eléctrica va siempre acompañada de fenómenos magnéticos. Este efecto de la corriente eléctrica desempeña una función importante en casi todos los aparatos y máquinas eléctricas.
Para una mejor comprensión de lo que es un campo magnético conviene realizar un análisis acerca del comportamiento de los materiales ferromagnéticos.
· Efecto de fuerza (atrae el hierro y lo retiene)
· Efecto de orientación (se sitúan en dirección norte – sur)
Los extremos del imán se denominan “polos” pues ellos ejercen las mayores fuerzas magnéticas.Efecto de repulsión y atracción
entre dos imanes
entre dos imanes
Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen.
Efecto de atracción entre un imán
y pequeños trozos de hierro
y pequeños trozos de hierro
EJEMPLO: Imán y limadura de Hierro
En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza.
La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético.
Si se agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura.
MOMENTO DE TORSIÓN :
es el trabajo que hace que un dispositivo gire cierto ángulo en su propio eje, oponiendo éste una resistencia al cambio de posición.
Sabemos que un conductor que es sometido a un campo magnético experimenta una fuerza perpendicular a dicha corriente y a la inducción magnética, esto nos ayudará a comprender mejor el funcionamiento del motor eléctrico y algunos aparatos de medición (galvanómetro y voltímetro por ejemplo).
Veamos que sucede si se coloca una espira rectangular por la que pasa corriente eléctrica dentro de un campo magnético (B) producido por 2 imanes. Observamos que el momento de torsión es máximo cuando el ángulo que forman la espira y el campo magnético es de 0°, es decir, cuando el plano de la espira es paralelo al flujo magnético y la bobina gira alrededor de su eje; así, el ángulo se incrementa reduciendo el efecto de rotación de las fuerzas magnéticas (f), hasta llegar a cero.
DATOS FORMULA
N= 60 vueltas τ = NBIA cos α
B = 0.085 T
I = 25 A
A= 10cm*15cm = 0.015m2
α = 30°
τ = ?
SUSTITUCIÓN:
τ = (60)(0.085 T)(20 A)(0.015m2)(cos 30°)=
τ = 1.32501 J
MOTORES DE C.C.
Motores de corriente continúa de imán permanente:
Vε 
es el trabajo que hace que un dispositivo gire cierto ángulo en su propio eje, oponiendo éste una resistencia al cambio de posición.
Sabemos que un conductor que es sometido a un campo magnético experimenta una fuerza perpendicular a dicha corriente y a la inducción magnética, esto nos ayudará a comprender mejor el funcionamiento del motor eléctrico y algunos aparatos de medición (galvanómetro y voltímetro por ejemplo).
Veamos que sucede si se coloca una espira rectangular por la que pasa corriente eléctrica dentro de un campo magnético (B) producido por 2 imanes. Observamos que el momento de torsión es máximo cuando el ángulo que forman la espira y el campo magnético es de 0°, es decir, cuando el plano de la espira es paralelo al flujo magnético y la bobina gira alrededor de su eje; así, el ángulo se incrementa reduciendo el efecto de rotación de las fuerzas magnéticas (f), hasta llegar a cero.
ECUACIONES:
Calcular el momento de torsión de esta espira (única).
Para ello usamos la siguiente expresión algebraica:
τ = BIA cos α
Si la espira es remplazada por un embobinado compacto con N espiras, la ecuación para determinar el momento de torsión será:
τ = NBIA cos α
Donde:
τ = Momento de Torsión
N = Número de vueltas del devanado
B = Inducción magnética
I = Corriente que pasa por el alambre
A = Área que abarca la espira
α = Ángulo de inclinación de la espira respecto a las líneas de campo
magnético.
Calcular el momento de torsión de esta espira (única).
Para ello usamos la siguiente expresión algebraica:
τ = BIA cos α
Si la espira es remplazada por un embobinado compacto con N espiras, la ecuación para determinar el momento de torsión será:
τ = NBIA cos α
Donde:
τ = Momento de Torsión
N = Número de vueltas del devanado
B = Inducción magnética
I = Corriente que pasa por el alambre
A = Área que abarca la espira
α = Ángulo de inclinación de la espira respecto a las líneas de campo
magnético.
EJEMPLO:
Una bobina rectangular que consta de 60 vueltas de alambre tiene un ancho de 10cm y un largo de 15cm. Atraviesa un campo magnético que tiene una densidad de 0.085 τ y una corriente de 25 A que circulan a través del devanado. La bobina forma un ángulo de 35° con el campo magnético. Determina cual será el momento de torsión que hace posible que gire la bobina.DATOS FORMULA
N= 60 vueltas τ = NBIA cos α
B = 0.085 T
I = 25 A
A= 10cm*15cm = 0.015m2
α = 30°
τ = ?
τ = (60)(0.085 T)(20 A)(0.015m2)(cos 30°)=
τ = 1.32501 J
MOTORES DE C.C.
Motores de corriente continúa de imán permanente:
Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de y de pequeños enteros de . Tienen varias respecto a los del tipo de devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.
- Los motores de CC son empleados para grandes potencias. Son motores industriales que necesitan una gran cantidad de corriente para el arranque.
- Los motores de CC llevan circuitos integrados para regular la toma de corriente de la línea y así no generar bajones de intensidad de la corriente.
LEYES ELECTRICAS
Ley de Faraday
La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:[1] y establece que el
En resumen: "La cantidad de sustancia que se oxida o se reduce en los electrodos de una cuba electrolítica es proporcional a la cantidad de electricidad depositada"
donde 
es el campo eléctrico, 
es el elemento infinitesimal del contorno C, 
es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de 
están dadas por la regla de la mano derecha.
es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de están dadas por la regla de la mano derecha.La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.
Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley:
Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.
En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en:
Vε 
donde Vε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje inducido(el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.
Ley de Lenz
Ley: "El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce".
La Ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo; no obstante esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.
La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.
El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:
donde:
- Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb).
- B = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T).
- S = Superficie del conductor.
- α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.
Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:
En este caso la Ley de Faraday afirma que la Vε inducido en cada instante tiene por valor:
El valor negativo de la expresión anterior indica que el Vε se opone a la variación del flujo que la produce. Este signo corresponde a la ley de Lenz.
Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año 1834.
La ley de ohm.
El físico Georg Simón Ohm dictaminó: la corriente que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión que tiene aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece a su paso la carga que tiene conectada.
Que expresado de forma ecuacional:
Donde:
I= es la intensidad.
V= es la tensión.
R= es la resistencia.
Es evidente que teniendo dos de las tres magnitudes podemos averiguar la tercera con facilidad. En honor al físico, la unidad de la resistencia es el ohm.
Que expresado de forma ecuacional:
Donde:
I= es la intensidad.
V= es la tensión.
R= es la resistencia.
Es evidente que teniendo dos de las tres magnitudes podemos averiguar la tercera con facilidad. En honor al físico, la unidad de la resistencia es el ohm.
El efecto Joule.
Cuando la electricidad circula o pasa por un conductor o una resistencia, se produce un calor. A este calor producido se le denomina El efecto de Joule.
El físico James Prescott Joule en un experimento realizado con un calorímetro dictaminó que 1 Julio es igual a 0,24 calorías. Es decir, realizó un experimento sobre la energía (julio) transformada plenamente en calor (caloría).
Así tenemos que:
Donde:
Q= Calor.
E= Energía.
Esta fórmula, puesta de esta manera, poca utilidad le puede sacar un eléctrico. Pero si la combinamos con la potencia y el tiempo: E=P*t y P=R*I2 tendremos una ecuación más útil para un eléctrico:
Donde:
Q= Calor.
R= Resistencia.
I= Intensidad.
t= Tiempo.
El físico James Prescott Joule en un experimento realizado con un calorímetro dictaminó que 1 Julio es igual a 0,24 calorías. Es decir, realizó un experimento sobre la energía (julio) transformada plenamente en calor (caloría).
Así tenemos que:
Donde:
Q= Calor.
E= Energía.
Esta fórmula, puesta de esta manera, poca utilidad le puede sacar un eléctrico. Pero si la combinamos con la potencia y el tiempo: E=P*t y P=R*I2 tendremos una ecuación más útil para un eléctrico:
Donde:
Q= Calor.
R= Resistencia.
I= Intensidad.
t= Tiempo.
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