Asignatura: Física (FIS2301) Escuela de Ingeniería Facilitador: Dr. José Carlos León Ortega Santa Cruz – Bolivia, 2012.

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1 Asignatura: Física (FIS2301) Escuela de Ingeniería Facilitador: Dr. José Carlos León Ortega Santa Cruz – Bolivia, 2012

2 Escuela de Ingeniería Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide. Santa Cruz – Bolivia, 2012 En la antigua Grecia, por los años 500 a.C. los pobladores de una región llamada Magnesia (aproximadamente donde hoy se encuentra Turquía, se dieron cuenta que determinadas piedras extraídas de unas cuevas se atraían y se repelían entre ellas. Estas piedras estaban hechas de magnetita y tenían una fuerte atracción hacia el hierro. Durante muchos siglos se le dio un origen divino a estos fenómenos, pero no fue sino hasta el siglo XIX cuando la relación entre la electricidad y el magnetismo quedó plasmada, pasando ambos campos de ser diferenciados a formar el cuerpo de lo que se conoce como electromagnetismo. Uno de los primeros que intentó dar una explicación científica al fenómeno fue William Gilbert, Físico Ingles (1544 – 1603).

3 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 William Gilbert le dio una explicación de naturaleza magnética al fenómeno, pero no obtuvo ecuaciones. No fue hasta el año 1820 que un profesor de ciencias poco conocido de la Universidad de Copenhague, Dinamarca, Hans Christian Oersted, realizó trabajos en el magnetismo y los campos magnéticos. Todos habremos notado que los imanes son materiales que atraen con mucha fuerza a otros metales y a otros imanes. Poseen dos polos: Norte (N) y Sur (S). Después se verá el por qué de dichos nombres. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

4 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Ley de los Polos Magnéticos Es análoga a la Lay de las Cargas. “Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se atraen” Los polos magnéticos no son separables, siempre que existe un N, existirá un S a su lado. Imaginemos que queremos dividir un imán sucesivamente hasta niveles atómicos. Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce" sus dos polos. Si ahora volvemos a partir otra vez en dos, nuevamente tendremos cada trozo con dos polos norte y sur diferenciados. En magnetismo no existen los monopolos magnéticos. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

5 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético (B) La acción a distancia de los polos magnéticos se debe a la existencia del campo magnético. Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético se caracteriza por tener líneas de campo que se extienden por el espacio. Siempre dichas líneas salen del polo N y entran en el S. Campos magnéticos de un imán recto, un imán tipo herradura y dos polos N enfrentados. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

6 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Líneas mostrando el campo magnético de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro sobre papel. Campo Magnético (B) Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

7 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Está claro que la fuente más fácil para producir un campo B es un imán. Sin embargo, no podemos regular o controlar la intensidad de dicho campo en estos casos. Fuentes de campo magnético Oersted descubrió que alrededor de todo conductor con corriente eléctrica se produce un campo magnético. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

8 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Para determinar el sentido de rotación del campo B alrededor del conductor con corriente, se emplea la Regla de la Mano Derecha: Fuentes de campo magnético Donde μ es la permeabilidad magnética del medio (característica del medio en permitir que el campo B se extienda en él). En el vacío: Obsérvese que el campo B depende de la intensidad de la corriente I. μ o = 4p·10 -7 T m/A Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

9 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Unidades del campo B. Fuentes de campo magnético B [ T ] (Tesla) [ G ] (Gauss) Espira con corriente. Con la espira se obtienen campos B 3 veces mayores. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

10 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Fuentes de campo magnético Solenoide o bobina. Es una sucesión de espiras unas al lado de las otras. Campo B del solenoide. Los campos magnéticos de cada espira se superponen para formar un único campo B. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

11 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Fuentes de campo magnético Campo B del solenoide (en su interior). Donde: N: número de espiras L: largo del solenoide r: radio del solenoide Nótese que ahora el campo B aumenta con el numero de vueltas y la corriente I Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

12 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Fuentes de campo magnético Campo B del solenoide (en su interior). Alambre recto con corriente: Espira con corriente. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

13 Escuela de Ingeniería Geometría del inductor: Consiste en un enrollado en una formaleta generalmente cilíndrica. El parámetro que caracteriza al inductor es la inductancia “L” La unidad de medida de L es el Henrio (H) en honor a Joseph Henry (1799-1878). Múltiplos Submúltiplos No se usan H mH uH Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

14 Escuela de Ingeniería Parámetros geométricos del inductor: largo (L) diámetro (d) número de vueltas (N) La inductancia “L” depende del número de vueltas, del diámetro de las espiras, del largo de la bobina y del tipo de núcleo. Al introducirle un núcleo se aumenta la μ y con ello se multiplica el campo B. Tipos de núcleos: Aire Hierros Ferritas Representación circuital del inductor: Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

15 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Tipos de núcleos usados en la industria: Material Composición aproximada Permeabilida d FeNiCoMoOtros Acero laminado en frío98.5--- 2,000 Hierro99.91--- 5,000 Hierro purificado99.95--- 180,000 Hierro al 4% silicio96--- 4 Si7,000 45 Permalloy54.745--- 25,000 Permalloy 4554.745--- 50,000 Hipernik50 --- 70,000 Monimax--- 35,000 Sinimax--- 35,000 Permalloy 7821.278.5--- 0.3 Mn100,000 Permalloy 4-7916.779---40.3 Mn100,000 Mu metal18--- 100,000 Supermalloy15.779---4.3---800,000 Permendur49.779.0---05.0---5,000 Permendur 2V49--- 4,500 Hiperco64--- 10,000 Permalloy 2-8117--- 130 Hierro Carbonyl99.9--- 132 Ferroxcube III--- 1,500 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

16 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Al introducir un núcleo el campo B aumenta significativamente. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

17 Escuela de Ingeniería Distintos tipos de inductores. Obsérvese sus formas. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

18 Escuela de Ingeniería Medición de inductores. El inductimetro. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

19 Escuela de Ingeniería Cálculo de la inductancia de un inductor. Fórmula de Wheeler. (bobina monocapa) N: número de vueltas d: diámetro en mm L: largo en mm Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

20 Escuela de Ingeniería Cálculo de la inductancia de un inductor. Ejemplo: N=7 d= 10 mm L= 100 mm L = 0,5 uH Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

21 Escuela de Ingeniería Tipos de núcleos. Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material plástico, cartón, etc. Poseen muy bajo valor de inductancia. (desde menos de 1 uH hasta decenas de uH) Núcleo de hierro: aumenta el valor de la inductancia. Sólo se emplea en bajas frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones: fuentes de alimentación y amplificadores de audio. Poseen valores de mH. Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos. Poseen grandes valores de inductancias. Se emplean en radiofrecuencias. Poseen valores de entre uH y mH. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

22 Escuela de Ingeniería Aplicaciones de los inductores: Bloquear el paso de la CA: bloquear (“choke” en inglés) el paso de CA o radiofrecuencia en circuitos de CC. Transformadores: constituyen las bobinas de los transformadores. Filtros: para seleccionar el paso de determinadas frecuencias y bloquear otras. En circuitos de sintonías: junto con un capacitor forman un circuito LC que permite la sintonía de frecuencias. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

23 Escuela de Ingeniería Tipos de inductores: Solenoides: son estructuras más alargadas que anchas. Pueden o no tener varias capas de enrollados. Solenoides con núcleo de aireSolenoides con núcleo de ferrita. (Pueden llegar hasta decenas de mH) Se emplean en aplicaciones generales, filtros, convertidores DC/DC, etc. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

24 Escuela de Ingeniería Tipos de inductores: Toroides: son estructuras circulares, su enrollado se presentan en forma de lanzaderas. El campo magnético se confina en su estructura por lo que tienen altos valores de inductancia. Toroide típico. Puede llegar a decenas de mH. Se emplean en fuentes de alimentación, transformadores, acopladores de RF, etc. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

25 Escuela de Ingeniería Tipos de inductores: Encapsulados: son estructuras encapsuladas en cerámicas. Sus valores de inductancia son pequeños, del orden de decenas a centenares de uH. Tienen aplicaciones en equipos de radio, en las etapas de osciladores y filtros de RF. Chips: son estructuras encapsuladas en chips. Sus valores de inductancia son pequeños, del orden de 1mH. Tienen aplicaciones generales. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

26 Escuela de Ingeniería Tipos de inductores: Variables: poseen un núcleo que entra y sale del enrollado lo que permite varias su valor de inductancia. Estos valores pueden estar entre 100 uH y decenas de mH. Se emplean en etapas sintonizadas de RF, osciladores y circuitos de RF como transmisores y receptores Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

27 Escuela de Ingeniería Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

28 Escuela de Ingeniería Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños. Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

29 Escuela de Ingeniería Ejemplos de inductores: Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

30 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Los materiales se clasifican de acuerdo a como respondan frente a un imán: Materiales magnéticos Materiales ferromagnéticos: Son atraídos fuertemente por un imán. (hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero ) Materiales paramagnéticos: Son atraídos débilmente por un imán. (aire, aluminio (Al), calcio (Ca), platino (Pl), magnesio (Mg), paladio (Pd) ) Materiales diamagnéticos: Son repelidos débilmente por un imán. (cobre (Cu), bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), estaño (Sn), zinc (Zn), agua.) Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

31 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Teoría de los dominios de Webber. Materiales magnéticos Cada electrón que orbita al núcleo constituye una corriente eléctrica. Por ello, tiene asociado un campo B. Ahora bien, cada campo B de cada electrón interactúa con los campos B de sus vecinos. Por ello, los electrones se reorganizan en sus órbitas y cada átomo tendrá un campo B resultante. Es de razonar entonces que cada campo B en cada átomo interactúa con los campos B de los átomos vecinos, formándose entonces colonias de átomos de campo B promedio. A estas colonias se les denomina “dominios magnéticos”. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

32 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Teoría de los dominios de Webber. Materiales magnéticos Dominios magnéticos. Cada región del dominio se caracteriza por tener un campo B promedio en una dirección específica del espacio. Cabe preguntarse ahora, ¿cómo responden las estructuras de los dominios magnéticos en los materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos al estar en presencia de un imán? Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

33 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Teoría de los dominios de Webber. Materiales magnéticos Materiales ferromagnéticos. Estos reorientan muy fácilmente sus dominios en presencia de un campo B exterior. Una vez reorientados, se comportan como in imán. Las fronteras de los dominios se agrandan. Al quitar el campo B externo, vuelve a recobrarse parcial o totalmente la situación inicial. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

34 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Teoría de los dominios de Webber. Materiales magnéticos Materiales ferromagnéticos. En presencia de un campo externo, sus dominios se alinean con las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán, por eso son atraídos por éstos. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

35 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Teoría de los dominios de Webber. Materiales magnéticos Materiales paramagnéticos. En presencia de un campo externo, algunos de sus dominios se alinean con las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán débil y por eso son atraídos débilmente por éstos. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

36 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Teoría de los dominios de Webber. Materiales magnéticos Materiales diamagnéticos. En presencia de un campo externo, algunos de sus dominios se alinean en contra de las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán débil y por eso son repelidos débilmente por éstos. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

37 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Materiales magnéticos PREGUNTA: ¿Cómo se puede determinar si un metal es ferromagnético o no? Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

38 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo magnético terrestre. La Tierra, al igual que otros planetas, incluso el Sol, tiene un campo magnético a su alrededor. El polo N está muy cercano al polo Norte geográfico y el polo S muy cercano al Sur geográfico. (inclinación de 11 grados). De ahí los nombres de los polos magnéticos. La aplicación más inmediata que tuvo este fenómeno fue la orientación mediante la brújula. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

39 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo magnético terrestre. Hay hipótesis que establecen que el origen de dicho campo es el núcleo de la Tierra que esta en movimiento y forma corrientes eléctricas en remolino. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

40 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo magnético terrestre. En los polos es más intenso que en el ecuador. De ahí las auroras boreales. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

41 Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012 Campo magnético terrestre. El campo magnético terrestre es afectado por las exposiciones solares y el “viento solar” que este emite en cada exposición. Tiene consecuencias graves en las telecomunicaciones. Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.

42 Fin de la Sesión Escuela de Ingeniería Santa Cruz – Bolivia, 2012