AÑO DE LA PROMOCIÓN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y EL CAMBIO CLIMÁTICO

Universidad Nacional de Trujillo

Facultad de Ingeniería

Escuela Profesional de Ingeniería Industrial

Alumno: Ghiglino Pérez, Gian Franco Jesús

Tema: Inducción Electromagnética y Preguntas Adicionales

Curso: Ingeniería Eléctrica Industrial

Docente: Ing. Miguel Benítez Gutiérrez

Ciclo y Sección: V “A”

Fecha: 08/04/14

2014

Inducción Electromagnética

1. Introducción:

La gran mayoría de los aparatos eléctricos que se usan en la industria y el hogar, la fuente de fem no es una batería, sino una estación generadora de electricidad. Esa estación produce energía eléctrica convirtiendo otras formas de energía: energía potencial gravitacional en una planta hidroeléctrica, energía química en una planta termoeléctrica que consume carbón o petróleo, y energía atómica en una central nucleoeléctrica. Pero, ¿cómo se realiza esta conversión de la energía? En otras palabras, ¿cuál es la física en la que se basa la producción que satisface casi todas nuestras necesidades de energía eléctrica?

La respuesta es un fenómeno conocido como inducción electromagnética: si el flujo magnético a través de un circuito cambia, se inducen una fem y una corriente en el circuito. En una estación generadora de electricidad, hay imanes que se mueven con respecto a bobinas de alambre para producir en ellas un flujo magnético variable y, por lo tanto, una fem.

Otros componentes clave de los sistemas de energía eléctrica, como los transformadores, también dependen de fem inducidas magnéticamente. De hecho, en virtud de su papel clave en la generación de energía eléctrica, la inducción electromagnética es uno de los fundamentos de nuestra sociedad tecnológica.

2. Definición:

La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. James Clerk Maxwell consiguió reunir en una sola teoría los conocimientos básicos sobre la electricidad y el magnetismo.

3. Leyes:

3.1. Ley de Faraday: Para establecer lo que dice la ley de Faraday, reconozcamos:

Flujo Magnético: Para un elemento de área infinitesimal d A⃗ en un

campo magnético B⃗, el flujo magnético dΦB a través del área es:

dΦB=B⃗ . d A⃗=B⊥dA=BdAcosϕ

Donde B⊥ es la componente de B⃗ perpendicular a la superficie del

elemento de área, y ϕes el ángulo entre B⃗y d A⃗ . El flujo magnético total a través de un área finta es la integral de la expresión sobre el área:

ΦB=∫BdAcosϕ

Si B⃗ es uniforme sobre un área plana A⃗, entonces:

ΦB=B⃗ . A⃗=BAcosϕ

Si un conductor se mueve a través de un campo magnético de manera que corte líneas magnéticas de flujo, se inducirá un voltaje en el conductor:

Entre mayor es el número de líneas de flujo cortadas por unidad de tiempo (mediante el incremento de la velocidad con que el conductor pasa por el campo), o más intenso es el campo magnético (por la misma velocidad de recorrida), mayor será el voltaje inducido. Si el conductor se mantiene fijo y el campo magnético se mueve de manera que sus líneas de flujo corten al conductor, se producirá el mismo efecto.

La ley de Faraday de la inducción establece lo siguiente: La fem inducida en una espira cerrada es igual al negativo de la tasa de cambio del flujo magnético a través de la espira con respecto al tiempo.

ε=−dΦB

dt

Si se tiene una bobina con N espiras idénticas y si el flujo varía a la misma tasa a través de cada espira, la tasa total de cambio a través de todas las espiras es N veces más grande que para una sola espira. Si ΦB es el flujo a través de cada espira, la fem total en una bobina con N espiras es:

ε=−NdΦB

dt

Si el flujo que atraviesa a la bobina deja de cambiar, como cuando la bobina

esta quieta en un campo magnético de intensidad fija dΦB

dt=0, y el voltaje

inducido ε=−NdΦB

dt=N (0 )=0.

Dirección de la fem Inducida: La dirección de una fem o corriente inducida se calcula con la ecuación anterior y con algunas reglas sencillas para los signos. El procedimiento es el siguiente:

1) Defina una dirección positiva para el vector de área A⃗.

2) A partir de las direcciones de A⃗ y del campo magnético B⃗,

determine el signo del flujo magnético ΦB y su tasa de cambio dΦB

dt.

3) Determine el signo de la fem o corriente inducida. Si el flujo es

creciente, de manera que dΦB

dt es positiva, entonces la fem o

corriente inducida es negativa; si el flujo es decreciente,

entonces dΦB

dtes negativa y la fem o corriente inducida es

positiva.

4) Por último, determine la dirección de la fem o corriente inducida con la ayuda de su mano derecha. Doble los dedos de la mano derecha alrededor del vector A⃗, con el pulgar en dirección de A⃗ .Si la fem o corriente inducida en el circuito es positiva, está en la misma dirección de los dedos doblados. Si la fem o corriente inducida es negativa, se encuentra en la dirección opuesta.

3.2. Ley de Lenz

El flujo magnético que atraviesa una bobina de N vueltas con una corriente I tiene la siguiente distribución:

Si la corriente aumenta en magnitud, el flujo que atraviesa la bobina también aumenta. Sin embargo, el flujo cambiante que atraviesa una bobina induce un voltaje en la bobina. Por tanto, para esta bobina, se induce un voltaje en la bobina debido al cambio de corriente por la bobina. La polaridad de este voltaje inducido tiende a establecer una corriente en la bobina que produce un flujo que se opondrá a cualquier cambio en el flujo original. En otras palabras, el efecto inducido e ind es un resultado de la corriente creciente por la bobina. Sin embargo, el voltaje inducido tendera a establecer una corriente que se opondrá al cambio creciente en corriente a través de la bobina, todo ocurre simultáneamente.

En el instante en el que la corriente empieza a crecer en magnitud, habrá un efecto opuesto que trate de limitar el cambio. Tal efecto “estrangula” el cambio en la corriente a través de la bobina. Por consiguiente, a menudo se llama choke (“estrangulador”) al inductor o a la bobina. De hecho, pronto se verá que la corriente por una bobina no puede cambiar instaneamente. Es necesario un lapso, determinado por la bobina y la resistencia del circuito, antes que el inductor cese su oposición a un cambio momentáneo en la corriente. La reacción anterior se cumple para niveles de corriente creciente o decreciente a través de la bobina. Este efecto es ejemplo de un principio general conocido como la Ley de Lenz, el cual establece que:

“Un efecto inducido siempre se opone a la causa que lo produce”

Autoinductancia:

La capacidad de una bobina de oponerse a cualquier cambio en la corriente eléctrica es una medida de autoinductancia L de la bobina. Por brevedad, el prefijo auto generalmente se elimina. La inductancia se mide en henrys (H), en honor del físico Estadounidense Joseph Henry.

Los inductores son bobinas de dimensiones diversas diseñadas para introducir cantidades específicas de inductancia dentro de un circuito. La inductancia de una bobina varía directamente con las propiedades magnéticas de esta. Por tanto, los materiales ferromagnéticos se emplean con frecuencia en incrementar la inductancia aumentando el flujo de acompañamiento de la bobina.

4. Aplicaciones:

4.1. Transformadores:

Un transformador posee dos bobinados: uno primario y otro secundario que se arrollan sobre un núcleo magnético común, formando por chapas magnéticas apiladas:

Al conectar el bobinado primario de N1 espiras, a una tensión alterna V1, se produce en el núcleo magnético un flujo variable (Φ). Este flujo variable se cierra por todo el núcleo magnético y corta los conductores del bobinado secundario, por lo que se induce una fuerza electromotriz en el secundario que dependerá de su número de espiras. En el caso de que el número de espiras del secundario sea mayor que el del primario, la tensión del secundario también será mayor. El mismo razonamiento se puede aplicar para un transformador reductor.

4.2. Generadores:

Para estudiar la forma en como convierten los generadores la energía mecánica en energía eléctrica, se puede usar la siguiente figura, que representa un generador elemental, en donde el campo magnético principal viene de un par de imanes permanentes. Obsérvese que la cara del polo norte se encuentra enfrente de la cara del polo sur, la forma curvada de los polos produce un campo más intenso La bobina de la armadura esta devanada sobre el rotor, cada extremo de la bobina esta fijo a su propia banda metálica, estas bandas se llaman anillos rozantes y es donde aparece el volteje genérico.

Para colectar el voltaje generado, se debe tener una trayectoria eléctrica de los anillos rozantes a las terminales generador, esto se hace con pequeñas piezas metálicas o de carbón llamadas escobillas, que se encuentran fuertemente fijas a los anillos rozantes por medio de resortes en la medida que la bobina gira, los conductores cortan el campo magnético, esto produce voltaje inducido en la bobina.

4.3. Motores:

El rotor o parte giratoria de los motores de inducción está constituido por un circuito eléctrico cerrado, si se considera por ejemplo, que el rotor está constituido por un paquete de laminaciones en forma cilíndrica, sobre cuya periferia se disponen conductores conectados entre sí por dos anillos frontales como se muestra en la figura siguiente. El campo magnético giratorio induce en los conductores del rotor una fuerza electromotriz inducida, de acuerdo a las leyes de la Inducción Electromagnética.

Esta fuerza electromotriz da lugar a la circulación de corriente (debido a que el rotor es un circuito cerrado) estas corrientes interactúan con el campo giratorio dando lugar a fuerzas que tienden a hacer girar el rotor siguiendo el campo, es decir por la ley de Lenz debe oponerse a la causa que lo produce, debido a que las variaciones del flujo están producidas por la rotación del campo respecto a los conductores mismos, inicialmente parados.

Efectos de la Corriente Eléctrica sobre el Cuerpo Humano

El riesgo de electrocución consiste en la posibilidad de circulación de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano. Surge cuando este entra a formar parte un circuito eléctrico cerrado, donde exista una diferencia de potencial. Las consecuencias de este riesgo dependen de las características del cuerpo humano y de la duración del paso de la corriente. El efecto fisiológico producido se denomina choque eléctrico y depende de la intensidad de la corriente. Se habla de macrochoque cuando el contacto se produce en la superficie del cuerpo, mientras que se trata de un contacto con el interior (bajo la piel), se habla de microchoque.

Los efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano están principalmente determinados por la tensión de la fuente en circuito abierto (enchufe, circuito eléctrico, componentes, etc.) y por la resistencia total del camino seguido por la corriente incluyendo la resistencia interna del cuerpo humano.

La resistencia en el cuerpo humano no es constante si no que depende de la trayectoria de la corriente, de la superficie de contacto, de la humedad de la piel, de la magnitud y frecuencia de la tensión, de la edad, del peso, y también del estado fisiológico. En función de la tensión, los valores de la resistencia para corriente continua y para la corriente alterna hasta 100 Hz. con piel húmeda y para la trayectoria mano-mano, o mano-pie son: 2500Ω a 25 V. que se reducen a 2000 y 1000Ω, respectivamente a 50 V y 250 V. El valor asintótico para tensiones mayores es de 650Ω.

Con la piel seca, los valores mínimos son el doble. También aumenta si el área de contacto es pequeña (y no está empañada). Por el contrario, si la trayectoria no es a través de las extremidades, la resistencia es menor.

Si el contacto es con el mismo interior del cuerpo (bajo la piel) la resistencia es mucho menor, incluso para tensiones muy pequeñas. Ello se debe a que, mientras la piel es aislante, el interior del cuerpo no lo es, debido a la presencia de electrolitos. Se toma como valor límite 1000Ω, con independencia de la tensión.

Umbral Mínimo de Percepción:

El nivel mínimo en el que una persona puede detectar conscientemente si hay o no un estímulo presente (cosquilleo) define el umbral de percepción. Depende sobre todo de la zona del cuerpo y del área de contacto, del sexo y de la frecuencia. Para frecuencias de 50-60 Hz. para hombres y agarrando un conductor con la mano, el valor medio es de 1.1 mA. Si solo se apoya ligeramente el dedo, es de 10µA. Con la lengua el valor mínimo es de 4µA y el valor medio 43µA. Para las mujeres, los valores

para tocar o agarrar con la mano son del 67% de los hombres. A frecuencias menores y mayores, el umbral aumenta. El valor medio de hombres agarrando con la mano es de 5.2 mA en continua y de 12 mA a 10kHz. Cuando el nivel de la corriente aumenta se alcanza el punto en el que la sensación irritante se va repitiendo.

La corriente eléctrica a través del cuerpo humano puede producir varios efectos, incluyendo la muerte, dependiendo de la magnitud de la intensidad que lo atraviesa.

La norma CEI 479 establece unos valores de resistencia del cuerpo humano en función del estado de la piel, que para una tensión de 250 V son los siguientes:

Unidad :Ohm

En la figura se indican los efectos que produce una corriente alterna de frecuencia comprendida entre 15 y 100 Hz con un recorrido mano izquierda-los dos pies:

Se distinguen las siguientes zonas:

Zona 1: habitualmente ninguna reacción. Zona 2: habitualmente ningún efecto fisiológico peligroso. Zona 3: habitualmente ningún daño orgánico. Con duración superior a 2

segundos se pueden producir contracciones musculares dificultando la respiración, paradas temporales del corazón sin llegar a la fibrilación ventricular.

Zona 4: riesgo de parada cardiaca por: fibrilación ventricular, parada respiratoria, quemaduras graves.

Bibliografía:

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