Resumen

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

En México se necesita buscar día a día alternativas que ayuden a mejorar el medio ambiente, es por ello que la inducción magnética permitirá generar energía para que funcionen los motores y generadores.

Antecedentes

LEY DE FARADAY | INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Michael Faraday era un científico del siglo XVIII, descubridor de la inducción electromagnética. Esta fue la ley más conocida que enunció Faraday, en la que demostraba que el voltaje inducido es directamente proporcional a la velocidad con la que cambia el flujo magnético que atraviesa una superficie con el circuito como borde.

Michael Faraday (1791-1867) fue un brillante físico y químico del Reino Unido, cuyos principales aportes a la ciencia fueron la inducción electromagnética o la electrólisis.

Adquirió su gusto por leer y por las investigaciones a los 14 años, cuando trabajó de encuadernador de libros en Londres. Fue en esa época cuando Faraday adquirió gran entusiasmo con todo lo que tuviera que ver con fenómenos eléctricos.

Las aplicaciones e importancia que han tenido los descubrimientos de Faraday en numerosos campos de la actualidad le han convertido en uno de los científicos más importantes de la historia, hasta el punto de que Albert Einstein tenía un retrato suyo de cabedera, junto con el de Isaac Newton.

Es algo así como la parte contraria al trabajo de William Sturgeon, que ideó el electroimán. En este caso, se provoca un campo magnético debido a un flujo de corriente eléctrica. En cuanto cesa la corriente, cesa el campo magnético.

Así es que la Ley de Faraday o inducción electromagnética, enuncia que el voltaje inducido en un circuito cerrado resulta directamente proporcional a la velocidad con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una dada superficie con el circuito haciendo de borde.

Es decir, la fuerza electromagnética inducida en cualquier circuito cerrado es igual al negativo de la velocidad del tiempo del flujo magnético encerrado por el circuito.

La Ley de Faraday predice cómo interaccionarán los campos magnéticos con los circuitos eléctricos para producir fuerzas electromagnéticas, o inducción electromagnética. Un principio fundamental operando en los transformadores, inductores y otros motores eléctricos o generadores.

APLICACIONES DE LA LEY DE FARADAY O INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

En el caso que nos ocupa, provocamos variaciones en el flujo magnético que provoca una fuerza electromotriz, manteniendo una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto. Con esto, podemos provocar una corriente eléctrica.

Matemáticamente se expresa como indicamos en la ecuación de arriba. Gracias al trabajo de Michael Faraday se desarrollaron la mayor parte de las máquinas, hasta algo tan cotidiano como una vitrocerámica de inducción. Como vemos, la variabilidad del campo magnético está dado por la derivada (si el campo es constante, la derivada es cero y no se provoca fuerza electromotriz alguna).

Otra aplicación importante es la creación de motores eléctricos, que transforman la energía eléctrica en mecánica, diferenciándose así de los motores químicos, que transforman el poder calorífico del combustible en energía mecánica. Además, los motores eléctricos tienen mayor rendimiento.

La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.

Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.

La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).

Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento: si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

La ley que explica esta interacción entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magnético es la Ley de Faraday:

En donde Φm es el flujo del campo magnético. Por tanto, para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida debe variar el flujo del campo magnético a través de la superficie delimitada por el conductor. De la definición de flujo:

se deduce que hay tres formas de variar el flujo del campo magnético: variar el módulo del campo, la superficie que lo atraviesa o el ángulo que forman ambos.

Generador Eléctrico

Un generador eléctrico es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica. Mantiene por tanto una diferencia de potencial entre dos puntos denominados polos. Por la ley de Faraday, al hacer girar una espira dentro de un campo magnético, se produce una variación del flujo de dicho campo a través de la espira y por tanto se genera una corriente eléctrica.

En la figura anterior, la espira rectangular rota dentro de un campo magnético, por lo que el flujo del campo a través de ella varía. Se crea una corriente que circula por la espira, por lo que entre los bornes (representados en verde) aparece una diferencia de potencial ΔV (fuerza electromotriz inducida).

En las centrales de generación de energía eléctrica (nucleares, térmicas, hidráulicas…) la energía mecánica que el generador transforma en energía eléctrica proviene del movimiento de una turbina, accionada dependiendo del tipo de central por vapor de agua, aire o agua. En la figura inferior se ha representado esquemáticamente el sistema de generación de energía eléctrica de una central hidráulica.

En la parte inferior de la figura se observan las palas de la turbina (accionada por agua) y las compuertas verticales que sirven para regular el caudal de agua que entra a la turbina. En la parte superior está representado el generador de energía eléctrica. Dicho generador consta de dos partes:

El estátor, que es la parte estática del generador. Actúa como inducido.

El rotor, que es la parte móvil conectada al eje de la turbina. Es el que actúa como inductor.

El rotor puede estar constituido por un imán permanente o más frecuentemente, por un electroimán. Un electroimán es un dispositivo formado por una bobina enrollada en torno a un material ferromagnético por la que se hace circular una corriente, que produce un campo magnético. El campo magnético producido por un electroimán tiene la ventaja de ser más intenso que el de uno producido por un imán permanente y además su intensidad puede regularse.

El estátor está constituido por bobinas por las que circulará la corriente. Cuando el rotor gira, el flujo del campo magnético a través del estátor varía con el tiempo, por lo que se generará una corriente eléctrica. En este enlace puede verse un esquema de una central hidráulica en funcionamiento.

Funcionamiento de los generadores eléctricos

El funcionamiento de los generadores electricos se basa en el fenómeno de inducción electromagnética: cuando un conductor hace un movimiento relativo hacia el campo magnético, se induce el voltaje en el conductor. Particularmente, si una bobina está girando en un campo magnético, significa que las dos caras de la turbina se mueven en direcciones opuestas y se añaden los voltajes inducidos a cada lado. Numéricamente, el valor instantáneo del voltaje final (denominado fuerza electromotriz –emf–) es igual al resto del índice de cambio del flujo magnético Φ veces el nombre de vueltas de la bobina: V=−N•∆Φ/Δt. Esta relación se ha encontrado experimentalmente y hace referencia a la Ley de Faraday. El símbolo “menos” es por la ley de Lenz, que indica que la dirección de emf es tal que el campo magnético de la corriente inducida se opone al cambio en el flujo que produce esta emf. La ley de Lenz está relacionada con la conservación de energía.

Como la frecuencia de flujo magnético cambia a través de la bobina que gira en una frecuencia constante que varia de forma sinusoidal con la rotación, el voltaje generado a las terminales de la bobina también es sinusoidal (CA). Si un circuito externo se conecta a las terminales de bobina, este voltaje creará corriente a través de este circuito, que será energía que se transferirá a la carga. Por lo tanto, la energía mecánica que hace rotar la bobina se convierte en energía eléctrica.

La corriente de la carga, a su vez, crea un campo magnético que se opone al cambio del flujo de la bobina, por lo tanto, la bobina se opone al movimiento. Como más alta sea la corriente, más grande debe de ser la fuerza que se tiene que aplicar a la armadura para evitar que se ralentice. A la práctica, la energía mecánica es producida por turbinas o motores que se denominan fuentes energéticas. En un generador eléctrico de CA pequeño, una fuente energética normalmente es un motor de combustión interna rotatorio.

Entre los aparatos comercialmente disponibles, un alternador está integrado con un motor en un aparato simple. El dispositivo resultante se denomina generador eléctrico. Un generador eléctrico es la fuente de energía de reserva más común en caso de emergencia y probablemente la más económica para uso doméstico.

Los generadores eléctricos más económicos se venden por unos 70 € por kilovatio. La producción de voltaje depende solamente del movimiento relativo entre la bobina y el campo magnético. La emf es inducida por la misma ley de la física si el campo magnético traviesa una bobina fija, o la bobina pasa a través de un campo magnético fijo. Los generadores eléctricos de CA actuales normalmente no tienen escobillas. Tienen un campo giratorio y una armadura fija que produce energía.

Esta armadura incluye un grupo de bobinas que forman un cilindro. Además, a la práctica, el campo magnético normalmente es inducido por un electroimán en vez de un imán permanente. El electroimán está formado por las denominadas bobinas de campo fijadas encima de un núcleo de hierro. El flujo de corriente de las bobinas de campo produce el campo magnético.

Esta corriente se puede obtener a partir de la fuente externa o de la propia armadura del sistema. Se alcanza la regulación detectando el voltaje de salida, que lo convierte en CC (corriente continua) y que compara su nivel con un voltaje de referencia. Un error se utiliza para controlar el campo por tal de mantener una salida constante. Las fuentes de CA modernas con bobinas de campo son autoexcitadas: la corriente por las bobinas de campo es accionado por un bobinado excitador adicional de la armadura.

Motor Eléctrico

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.

El inconveniente es que las baterías son los únicos sistemas de almacenamiento de electricidad, y ocupan mucho espacio. Además, cuando se gastan, necesitan varias horas para recargarse antes de poder funcionar otra vez, mientras que en el caso de un motor de combustión interna basta sólo con llenar el depósito de combustible. Este problema se soluciona, en el ferrocarril, tendiendo un cable por encima de la vía, que va conectado a las plantas de generación de energía eléctrica. La locomotora obtiene la corriente del cable por medio de una pieza metálica llamada patín. Así, los sistemas de almacenamiento de electricidad no son necesarios.

Cuando no es posible o no resulta rentable tender la línea eléctrica, para encontrar una solución al problema del almacenamiento de la energía se utilizan sistemas combinados, que consisten en el uso de un motor de combustión interna o uno de máquina de vapor conectado a un generador eléctrico. Este generador proporciona energía a los motores eléctricos situados en las ruedas. Estos sistemas, dada su facilidad de control, son ampliamente utilizados no sólo en locomotoras, sino también en barcos.

El uso de los motores eléctricos se ha generalizado a todos los campos de la actividad humana desde que sustituyeran en la mayoría de sus aplicaciones a las máquinas de vapor. Existen motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los pequeños motores fraccionarios empleados en pequeños instrumentos hasta potentes sistemas que generan miles de caballos de fuerza, como los de las grandes locomotoras eléctricas

En cuanto a los tipos de motores eléctricos genéricamente se distinguen motores monofásicos, que Contienen un juego simple de bobinas en el estator, y polifásicos, que mantienen dos, tres o más conjuntos de bobinas dispuestas en círculo.

Según la naturaleza de la corriente eléctrica transformada, los motores eléctricos se clasifican en motores de corriente continua, también denominada directa, motores de corriente alterna, que, a su vez, se agrupan, según su sistema de funcionamiento, en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector. Tanto unos como otros disponen de todos los elementos comunes a las máquinas rotativas electromagnéticas

Motores de corriente continúa

La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético. Un campo magnético, que se forma entre los dos polos Opuestos de un imán, es una región donde se ejerce una fuerza sobre determinados metales o sobre otros campos magnético5 Un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico.

Los dos componentes básicos de todo motor eléctrico son el rotor y el estator. El rotor es una pieza giratoria, un electroimán móvil, con varios salientes laterales, que llevan cada uno a su alrededor un bobinado por el que pasa la corriente eléctrica. El estator, situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante. Al igual que el rotor, dispone de una serie de salientes con bobinados eléctricos por los que circula la corriente.

Cuando se introduce una espira de hilo de cobre en un campo magnético y se conecta a una batería, la corriente pasa en un sentido por uno de sus lados y en sentido contrario por el lado opuesto. Así, sobre los dos lados de la espira se ejerce una fuerza, en uno de ellos hacia arriba y en el otro hacia abajo. Sí la espira de hilo va montada sobre el eje metálico, empieza a dar vueltas hasta alcanzar la posición vertical. Entonces, en esta posición, cada uno de los hilos se encuentra situado en el medio entre los dos polos, y la espira queda retenida.

Para que la espira siga girando después de alcanzar la posición vertical, es necesario invertir el sentido de circulación de la corriente. Para conseguirlo, se emplea un conmutador o colector, que en el motor eléctrico más simple, el motor de corriente continua, está formado por dos chapas de metal con forma de media luna, que se sitúan sin tocarse, como las dos mitades de un anillo, y que se denominan delgas. Los dos extremos de la espira se conectan a las dos medias lunas. Dos conexiones fijas, unidas al bastidor del motor y llamadas escobillas, hacen contacto con cada una de las delgas del colector, de forma que, al girar la armadura, las escobillas contactan primero con una delga y después con la otra.

Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, la armadura empieza a girar y la rotación dura hasta que la espira alcanza la posición vertical. Al girar las delgas del colector con la espira, cada media vuelta se invierte el sentido de circulación de la corriente eléctrica. Esto quiere decir que la parte de la espira que hasta ese momento recibía la fuerza hacia arriba, ahora la recibe hacia abajo, y la otra parte al contrario. De esta manera la espira realiza otra media vuelta y el proceso se repite mientras gira la armadura.

El esquema descrito corresponde a un motor de corriente continua, el más simple dentro de los motores eléctricos, pero que reúne los principios fundamentales de este tipo de motores.

Motores de corriente alterna

Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con pequeñas variaciones en la fabricación de los bobinados y del conmutador del rotor. Según su sistema de funcionamiento, se clasifican en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector.

Motores de inducción

El motor de inducción no necesita escobillas ni colector. Su armadura es de placas de metal magnetizable. El sentido alterno de circulación, de la corriente en las espiras del estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal magnetizable, y las hace girar. El motor de inducción es el motor de corriente alterna más utilizado, debido a su fortaleza y sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste así como a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.

Motores sincrónicos

Los motores sincrónicos funcionan a una velocidad sincrónica fija proporcional a la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Su construcción es semejante a la de los alternadores Cuando un motor sincrónico funciona a potencia Constante y sobreexcitado, la corriente absorbida por éste presenta, respecto a la tensión aplicada un ángulo de desfase en avance que aumenta con la corriente de excitación Esta propiedad es fa que ha mantenido la utilización del motor sincrónico en el campo industrial, pese a ser el motor de inducción más simple, más económico y de cómodo arranque, ya que con un motor sincrónic0 se puede compensar un bajo factor de potencia en la instalación al suministrar aquél la corriente reactiva, de igual manera que un Condensador conectado a la red.

Motores de colector

El problema de la regulación de la velocidad en los motores de corriente alterna y la mejora del factor de potencia han sido resueltos de manera adecuada con los motores de corriente alterna de colector. Según el número de fases de las comentes alternas para los que están concebidos los motores de colector se clasifican en monofásicos y Polifásicos, siendo los primeros los más Utilizados Los motores monofásicos de colector más Utilizados son los motores serie y los motores de repulsión.

Objetivo

Elaborar una Inducción magnética por medio de unos imanes.

Informar sobre la Inducción Magnética

Justificación

A mi me intereso este tema porque mi mamá me  explico sobre la inducción magnética y quiero dar a conocer sobre la inducción magnética para que todos sepan en que puede ser utilizada.

Hipótesis

Si se coloca un tornillo en un campo magnético y se hace pasar una intensidad de corriente a través de ella, entonces el tornillo empezará a rotar, por lo que se habrá transformado energía eléctrica en energía mecánica.

Si pasamos corriente eléctrica que circule por un conductor, entonces genera a su alrededor un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia del conductor.

Método (materiales y procedimiento)

Realice una investigación documental sobre la inducción magnética, para eso necesite los siguientes materiales.

Una pila

Un cable

Un imán

Procedimiento:

Colocar el imán en la cabeza del tornillo

Colocar la punta del tornillo en la parte positiva de la pila, de manera que se quede colgando.

Colocar en uno de los extremos del cable de cobre del lado negativo de la pila y con el otro extremo colocarlo en el imán

Galería Método

Resultados

Los resultados fueron los esperados ya que se pudo realizar un motor básico aplicando la Ley de Faraday.

Se observó cómo gira el tornillo cuando se crea un campo magnético por medio de un imán y se hace pasar una corriente por medio de la pila, por lo que el campo ejerce una fuerza que hace rotar al tornillo, transformando la energía eléctrica en mecánica.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Este descubrimiento ayudo a facilitar las tareas diarias del hombre, en su trabajo, en el hogar y en diversas actividades diarias como desplazar objetos pesados, cargar piezas,  donde se utilice objetos o aparatos que tenga un motor eléctrico.

Bibliografía

http://espaciociencia.com/ley-de-faraday-induccion-electromagnetica/http://historiaybiografias.com/motor_electrico/http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/induccion.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/generador.html

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography