Galvanómetros y electroimanes

MOTORES Y GENERADORES;
GALVANÓMETROS Y
ELECTROIMÁNES
Henry L. Davila Andrade
“Nuestra mayor gloria no está en jamás caer, sino en levantarnos cada ves que nos caemos”
CONFUCIO
Capı́tulo 1
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MOTORES Y GENERADORES
Los motores eléctricos son diseñados usando las fuerzas sobre alambres
con corriente. La figura 1 muestra a grandes rasgos el principio de funcionamiento del motor electromagnético. Un imán permanente (por lo común
pedazos de hierro dulce) se usa para producir un campo magnetico en dos
hendiduras. En cada hendidura hay un polo norte y un polo sur como se
muestra. Se coloca una bobina rectangular de cobre con un lado en cada
hendidura.
Cuando pasa la corriente por la bobina circula en direcciones opuestas en
las dos hendiduras de modo que las fuerzas también son opuestas, produciendo un torque sobre la bobina respecto al eje mostrado. Si se monta la
bobina sobre un eje de modo que pueda girar, se le puede acoplar poleas o
engranajes y poder realizar un trabajo.
Se puede utilizar la misma idea para hacer un instrumento sensible para
medidas eléctricas.
Primero se puede hacer que el torque de ese motor sea mucho mayor para
una corriente determinada haciendo que la corriente pase por muchas espiras en ves de una sola. Luego se puede montar lar bobina de modo que gire
con un torque muy pequeño ya sea sobre el eje sobre los cojinetes de rubi
o colgando sobre la bobina de un alambre muy fino o de una fibra de cuarzo. Entonces una corriente pequeñisima hara girar la bobina y para ángulos
pequeños lo que rote sera proporcional a la corriente o se puede medir la
rotación pegando un indicador en la bobina o para los instrumentos más delicados, fijando un pequeño espejo a la bobina y observando la corrimiento
de la imagen de una escala. Estos instrumentos se llaman galvanómetros,
los voltimetros y los amperimetros, se basan en el mismo principio.
Se puede aplicar las mismas ideas en gran escala para hacer grandes motores para suministrar potencia mecánica. Se puede hacer que la bobina de
vueltas y más vueltas de modo que las conexiones a la bobina se inviertan
cada media vuelta por medio de contactos sobre el eje. Entonces el torque
está siempre en la misma dirección. Los pequeños motores de corriente continua (CC) estan hechas de esta manera. Los motores mayores de CC o CA
estan hechos a menudo reemplazando el imán permanente por un electroimán exitado por una fuente de potencia.
Definimos a la fuerza electromotriz (f em) como la fuerza tangencial por
unidad de carga en el alambre integrada sobre la longitud una vez alrededor
del circuito completo. Consideremos de nuevo la maquina simple de la fig.
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1.
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MOTORES Y GENERADORES
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1 solo que ahora, en vez de pasar una corriente por el alambre para hacerlo
girar, giramos el lazo por medio de una fuerza externa por ejemplo: una
mano o una rueda hidraulica.
Cuando la bobina rota, sus alambres se estan moviendo en el campo magnetico y hallamos una f em en el circuito de la bobina. El motor se convierte
en generador (Esta equivalencia cuantitativa no es completamente accidental, está relacionada con la ley de conservación de energia).
La bobina del generador tiene una f em inducida proveniente de su movimiento. También podemos ordenar por medio de contactos corredizos, que
despues de cada media vuelta la conexion entre los extremos de la bobina y
los alambres externos se invierten de modo que cuando la f em se invierta
tambien lo hagan las conexiones. Entonces los pulsos de la f em siempre
empujarán Corrientes en la misma dirección por el circuito externo tenemos
lo que se llama un generador de corriente continua.
Si conectamos los dos extremos de la bobina a alambres externos a través
de contactos deslizantes, llamados anillos corredizos simplemente para que
los alambres no se retuerzan tendremos ungenerador de corriente alterna.
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Figura 1. Esbozo esquemático de un motor electromagnetico simple
1 R. P. Feynman, R. B. Leighton y M. Sands, Feynmam Fisica, Vol. II, Fondo educa-
tivo interamericano S.A., 1972.
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MOTORES Y GENERADORES
Figura 2.
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Motor de corriente continua
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Capı́tulo 2
GALVANÓMETROS
2 Los
galvanómetros son los instrumentos principales para detectar el
paso de una corriente eléctrica y para medir su intensidad. El mecanismo
del galvanómetro está diseñado de forma que un imán permanente o un
electroimán produce un campo magnético que genera una fuerza en una
bobina cercana al imán cuando por ésta circula una corriente eléctrica. El
elemento móvil puede ser el imán o la bobina. La fuerza inclina el elemento
móvil en un grado proporcional a la intensidad de la corriente.
3 En la figura 2 se ilustra un diseño simple. La corriente a medir pasa por una
bobina suspendida entre los polos de un imán. En algunos casos la bobina
se enrolla sobre un cilindro de hierro C. El campo magnetico produce un
torque sobre la bobina rotandola un cierto angulo α. Sea S el área efectiva de
la bobina (número de vueltas x sección de la bobina). El torque producido
por el campo magnético, tiende a colocar la bobina perpendicularmente al
campo, retorciendo el resorte Q. La bobina adopta una posición de equilibrio
rotada un ángulo α cuando el torque magnético es compensado por el torque
elástico kα del resorte, donde K es la constante elástica de éste. Una aguja
fija a la bobina indica el ángulo α. Las piezas polares tienen la forma que se
ilustra en la figura, para que el campo magnético entre ellas y el cilindro de
hierro C sea radial, como se muestra en la vista superior del instrumento,
fig. 2 (b), normalmente la escala se calibra de modo que pueda leerse I en
alguna unidad conveniente.
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2 Enciclopedia Encarta,Microsoft,2009.
3 Marcelo Alonso y Edward Finn, Fı́sica,Vol. II, Campos y ondas, Fondo educativo
interamericano S.A., 1970.
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2. GALVANÓMETROS
Figura 1. 3 (a) componentes basicos de un galvanómetro de
bobina movil. (b)Vista superior del galvanómetro mostrado
en (a)
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Capı́tulo 3
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ELECTROIMÁNES
Un electroimán es un dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilı́ndrica de alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en
forma de espiral), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Si una
corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético en
su interior, paralelo a su eje. Al colocar el núcleo de hierro en este campo
los dominios microscópicos que forman las partı́culas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección
del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético
generado por el solenoide. La imantación del núcleo alcanza la saturación
cuando todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la
corriente tiene poco efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la
corriente, los dominios se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual. Los electroimanes se utilizan mucho en tecnologı́a; son los
componentes fundamentales de cortacircuitos y relés, se aplican a frenos y
embragues electromagnéticos. En los ciclotrones se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro; también se utilizan
potentes electroimanes para levantar hierro y chatarra. Motores y generadores eléctricos, grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energı́a
mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una
máquina que convierte la energı́a mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dinamo, y a una máquina que convierte la energı́a
eléctrica en mecánica se le denomina motor. Dos principios fı́sicos relacionados entre sı́ sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los
motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el cientı́fico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve
a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de
otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se
establece o se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el fı́sico francés André Marie
Ampere. Si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior
de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor.
La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada
por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma
que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede
situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se
induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción
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3.
2
ELECTROIMÁNES
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del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco,
lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por el campo
magnético. El campo magnético de un imán permanente sólo tiene fuerza
suficiente como para hacer funcionar una dinamo pequeña o motor. Por ello,
los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como
los generadores tienen dos unidades básicas: el inductor, que crea el campo
magnético y que suele ser un electroimán, y la armadura o inducido, que es
la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y
transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro
dulce laminado, alrededor del cual se enrollan los cables conductores. 2 1
Figura 1.
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Un electroiman
2 Enciclopedia Encarta,Microsoft,2009.
1 R. P. Feynman, R. B. Leighton y M. Sands, Feynmam Fisica, Vol. II, Fondo educa-
tivo interamericano S.A., 1972.
Bibliografı́a
[1] Marcelo Alonso y Edward Finn, Fı́sica,Vol. II, Campos y ondas, Fondo educativo
interamericano S.A., 1970.
[2] R. P. Feynman, R. B. Leighton y M. Sands, Feynmam Fisica, Vol. II, Fondo educativo
interamericano S.A., 1972.
OTROS SITIOS...
Enciclopedia Encarta, Microsoft, 2009.
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Índice general
Capı́tulo 1.
1
Capı́tulo 2.
GALVANÓMETROS
6
Capı́tulo 3.
2
8
MOTORES Y GENERADORES
ELECTROIMÁNES
Bibliografı́a
3
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