ELECTROMAGNETISMO Elaborado por: Ing. Juan Adolfo Álvarez Unidad 3 Octubre, 2014 http://www.uaeh.edu.mx/virtual

Historia El electromagnetismo es una área de la física en la que se estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Anteriormente se tenía la idea de que el magnetismo era un concepto independiente de la electricidad. De hecho la tierra es un caso de fenómeno magnético de tipo natural, ya que se genera un campo magnético con su polo norte y polo sur. En la actualidad con los experimentos hechos por personajes como Gilbert, el cual comprobó que al circular una corriente eléctrica por un conductor, se genera un campo magnético alrededor, se demostró la relación entre ambas áreas de la física.

Los campos magnéticos Cada campo magnético que se genera por una corriente eléctrica tiene determinadas propiedades de intensidad, dirección en sus líneas de fuerza e influencia sobre otros elementos de tipo eléctrico con los que interactúa. Michael Faraday mostró que al desplazar un imán dentro de un embobinado, se genera una fuerza electromotriz la cual es proporcional a la rapidez con la que se mueve el imán o cambia de dirección el campo magnético.

Las leyes el electromagnetismo. Para que la energía eléctrica se transforme en algún otro tipo de energía como por ejemplo energía mecánica como es el caso de los motores, el principio de funcionamiento está en algunas leyes como: La ley de Faraday La ley de Lenz Es importante comprender dichas leyes que rigen el funcionamiento de muchos de los aparatos eléctricos.

Ley de Faraday La ley de inducción electromagnética  (o  ley de Faraday) determina que el voltaje 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. Es decir; a mayor rapidez en el cambio de la dirección de un campo magnético que se encuentre dentro de un embobinado, mayor será la fuerza electromotriz inducida o voltaje. También hay que considerar que a mayor cantidad de espiras en el embobinado, también se incrementará la intensidad de la Fuerza electromotriz.

Ley de Lenz 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 los voltajes inducidos serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía. La polaridad de un voltaje inducido 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.

Aplicaciones De manera conjunta dichas leyes permiten el funcionamiento de muchos aparatos y maquinas como motores, generadores, transformadores eléctricos. Los dos primeros se conocen como maquinas dinámicas porque existe o se genera movimiento, y el tercero (transformador) se llama maquina estática, ya que no existe energía mecánica, sin embargo si existe transferencia de energía en el interior que esta formado por dos embobinados que interactúan a través de un campo magnético.

MÁQUINAS DINÁMICAS Algunos tipos de ellas son los motores eléctricos y los generadores. Los primeros convierten la energía eléctrica en energía mecánica y los segundos la energía mecánica la convierten en energía eléctrica.

funcionamiento de un motor La ley de Faraday es el principio de funcionamiento del motor. El embobinado o rotor cuando se le aplica un potencial que genera un campo magnético, interactúa con el campo del estator y se mantiene funcionando por medio de la acción de los polos que se generan mientras exista un potencial. Al desconectar de la energía el motor, el campo magnético del rotor desaparece y el motor deja de funcionar. Cuando aumenta el potencial o voltaje aplicado, entonces circula mayor intensidad de corriente y el motor entrega mayor energía mecánica, es decir gira a mayor velocidad.

Funcionamiento de un generador Funciona a la inversa de un motor, recibe energía mecánica, y la transforma en energía eléctrica por medio del movimiento de un campo magnético en el interior y entrega una fuerza electromotriz.

Máquinas estáticas Es el caso de los transformadores eléctricos los cuales funcionan por medio de la interacción de un campo magnético variable, en donde el embobinado primario recibe un potencial eléctrico, e índice en el embobinado secundario un voltaje, el cual puede ser mayor o menor según el numero de espiras tenga en relación al primer embobinado.

Transformadores eléctricos Existen de muy diversos diseños y aplicaciones, los cuales se usan para aumentar o disminuir el voltaje que se recibe, ya sea en una zona urbana, o un aparato eléctrico.

Elementos de un transformador El transformador consta esencialmente de dos bobinados, entre los cuales existe un núcleo de hierro en donde aparece una densidad de flujo magnético que es proporcional a la variación del voltaje en el embobinado primario. Algunas consideraciones de los transformadores son: Si el embobinado secundario tiene menos espiras que el embobinado primario, entonces el voltaje disminuirá y si es mayor el numero de espiras, entonces el voltaje aumentará.

Conexiones eléctricas En los aparatos eléctricos, existen en el interior diversas formas en las que interactúan los componentes, unos consumen energía, otros la transforman, llamándose así elementos consumidores, pasivos o activos. En el esquema de la izquierda se muestra una forma de conectar dos focos en serie, y en la derecha los mismos focos en paralelo Observa la forma en la que están conectados para identificar sus características. Estas mismas conexiones pueden encontrarse en el interior de los aparatos o bien en las instalaciones de las casas, edificios etc.

Circuito en serie La conexión de elementos en serie, representa por ejemplo en el caso de unos focos, unas resistencias eléctricas, donde la resistencia total es igual a la suma de las resistencia de cada uno. Por ejemplo si cada foco tiene una resistencia de 10 ohms, entonces en total el circuito de dos focos tiene 20 ohms de resistencia, si se conecta a una pila de 9 volt entonces la corriente que circula aplicando la ley de Ohm es: i= V/ R = 9 v / 20 ohms = 0.45 amperes En el dibujo de la parte derecha se muestra el diagrama o representación eléctrica

Circuito en paralelo En estos circuitos por ejemplo dos focos en paralelo , el voltaje en cada uno es el mismo y equivalente al valor de la fuente: V1= V2 = 9 volts El valor de la resistencia total, es el inverso de la suma de las resistencias, es decir: si cada resistencia es de 10 ohms entonces la resistencia total del circuito es: Se puede observar que la resistencia total disminuye, y si se conecta a una fuente de 9 volt, entonces la corriente en el circuito es: i = V / R = 9 volt / 5 Ohm = 1.8 amperes

Conexión de baterías y motores Asi como los focos se pueden conectar en serie o en paralelo, las baterías y los motores también se pueden conectar de la misma forma como se muestra en las figuras. En caso de conectar baterías en serie, el voltaje aumenta. Por ejemplo al conectar Dos pilas de 1.5 volt cada una, se tiene en total un voltaje de: V = 1.5 + 1.5 = 3 volt En el caso de los Motores, al estar En serie, la resistencia Eléctrica aumenta como si fueran resistencias en serie que ya se explicó

ESPECIFICACIONES DE LOS ELEMENTOS ELÉCTRICOS Todos los dispositivos, elementos o aparatos tienen especificaciones bajo las cuales se han diseñado y en las cuales trabajan en condiciones normales de operación,. Por ejemplo un foco tiene una potencia, una resistencia y un voltaje al cual se puede conectar para funcionar. Con los datos de Potencia por ejemplo si fuera de 10 watts, y el voltaje al que se conecta es de 120 volts, entonces se puede determinar la corriente que utiliza para funcionar, que en este caso sería aplicando la ecuación de potencia: P = V* i despejando La corriente i = P/ V tenemos: i = 10 watt / 120 volt = 0.08 amperes

Especificaciones de motores Por ejemplo el caso de un motor de grabadora, esta diseñado para funcionar con determinado voltaje, por ejemplo una fuente de 9 volt que puede ser una pila, y si su potencia es de 10 watts, entonces la corriente para funcionar sería aplicando la ecuación de potencia: i = P / V = 10 watt / 9 volt = 1. 1 amperes

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA EN LOS APARATOS En los electrodomésticos, como en muchos equipos electrónicos como la televisión, un dvd, un celular, computadora, los diferentes elementos eléctricos en su conjunto hacen que el aparato funcione. Por ejemplo en la computadora, existe un transformador para reducir el voltaje, un ventilador que convierte la electricidad en movimiento para enfriar el interior, los focos led para identificar si está encendido el equipo, etc. En suma todo funciona como un solo sistema donde se presentan diversas formas de transformación de energía, asi como diversos tipos de conexiones eléctricas: en serie y en paralelo.

otras conexiones eléctricas Además de las conexiones en serie y en paralelo que son las básicas, existen otros tipos de conexiones llamadas mixtas como las mostradas, en donde las conexiones son combinaciones serie / paralelo

COMPLEMENTACIÓN DEL APRENDIZAJE Se sugiere a fin de que comprendas mejor los conceptos abordados que visites las páginas que se indican en la siguiente lámina, donde observarás simulaciones del funcionamiento de generadores eléctricos, motores y otros equipos que funcionan con las leyes ya mencionadas.

Materiales consultados. https://www.youtube.com/watch?v=jD9CAXXRYE0 http://www.walter-fendt.de/ph14s/ https://www.youtube.com/watch?v=moO-XhyGG8M https://www.youtube.com/watch?v=-17h1YEGPbc https://www.youtube.com/watch?v=yYPJRPuwpHw https://www.youtube.com/watch?v=r1tuyy5YWNQ Referencia bibliográfica Pérez Montiel H. (2000). Física general. Editorial Pub. Cultural.. México. D.F.