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EL CAMPO MAGNÉTICO

Una Máquina Eléctrica es un artefacto que puede convertir energía eléctrica en energía mecánica (trabajando como motor) o bien energía mecánica en energía eléctrica (trabajando como generador).
Este tipo de máquinas puede convertir energía de una forma u otra por la acción de un campo magnético.

CAMPO MAGNÉTICO

La corriente eléctrica va siempre acompañada de fenómenos magnéticos. Este efecto de la corriente eléctrica desempeña una función importante en casi todos los aparatos y máquinas eléctricas.

Para una mejor comprensión de lo que es un campo magnético conviene realizar un análisis acerca del comportamiento de los materiales ferromagnéticos.

Características principales del imán:

• Efecto de fuerza (atrae el hierro y lo retiene)
• Efecto de orientación (se sitúan en dirección norte – sur)

Los extremos del imán se denominan “polos” pues ellos ejercen las mayores fuerzas magnéticas.
 

Efecto de repulsión y atracción
entre dos imanes

Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen.

Si se introduce un imán recto en un montón de limaduras de hierro, éste las atrae por efecto de fuerzas magnéticas, según la siguiente distribución:

Efecto de atracción entre un imán
y pequeños trozos de hierro

El espacio en que actúan fuerzas magnéticas se denomina “campo magnético”, el cual está formado por líneas de fuerza. Estas líneas tienen directa incidencia sobre sus propios polos o sobre cualquier elemento ubicado dentro de dicho campo, de la siguiente manera:

Distribución de campo magnético

Observación:

• Las líneas de fuerza son cerradas y se distribuyen de "norte a sur" por fuera del imán.
• Las líneas de fuerza son cerradas y se distribuyen de "norte a sur" por dentro del imán
• Todas las líneas de fuerza constituyen el flujo magnético.

Un campo magnético también puede generarse a partir de la circulación de corriente por un conductor.

               Experimento
 

           Esquema de Líneas de Fuerza y de Campo Magnético:

_Líneas de fuerza (verde).
_El conjunto de líneas de fuerza (verde) forman el campo magnético, que se establece alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica.

Características de las líneas de fuerza de un campo magnético:

• Nunca se cortan ni se cruzan.
• Emergen e inciden perpendiculares a su superficie.
• Son cerradas en sí mismas.
• Van de Sur a Norte por el interior del material ferromagnético.
• Van de Norte a Sur por el exterior del material ferromagnético.

Sentido de las líneas de fuerza :

Sentido convencional de la corriente

De acuerdo mutuo, se ha fijado que el “sentido convencional de la corriente” es del polo positivo (borne +) de una fuente de energía eléctrica, a través del conductor correspondiente, hacia el receptor, y desde éste al polo negativo (borne –), a través del conductor de retorno.

Caracterización del sentido de la corriente
 

EFECTO DEL CAMPO
Fuerzas entre los campos magnéticos de dos conductores recorridos por corrientes

      Experimento:

A través de los conductores anteriores circula una corriente de igual magnitud, pero de sentidos variables, de acuerdo a lo mostrado en la figura. Tan pronto circula la corriente actúan los campos magnéticos, y los conductores, que hasta ahora se encontraban en reposo, experimentan un desplazamiento repentino, hacia afuera o hacia adentro, dependiendo de si los campos producidos en estos se suman o se restan entre sí (Regla de la mano derecha). La distribución desigual de campo magnético tiende a equilibrarse. Como las líneas de fuerza intentan acortarse, el conductor móvil se desplaza de la zona con mayor intensidad del campo magnético hacia la del campo débil, lo que se conoce como "efecto electrodinámico".

TORQUE 

Corresponde a la fuerza angular ejercida sobre un cuerpo o brazo, con el fin de producir movimiento rotacional o giratorio.
Analíticamente se define como:

Momento o Par en máquinas eléctricas:

Si se realiza el estudio del momento en la máquina partiendo del campo magnético, se puede demostrar que la ecuación está definida :

donde: 

De la ecuación general de momento se deduce:

· El Par actúa sobre el estator y rotor, pero se aprecia sólo en el rotor debido a que el estator está fijo.
· Mientras más pequeño el entrehierro, mayor es el torque instantáneo disponible en la máquina.
· El signo negativo indica que el torque actúa en el sentido de alinear los ejes magnéticos.
· El torque instantáneo es máximo para d = 90° .
· Como el torque de interés es el torque medio, al integrar la expresión de torque en un período, el sin d es nulo. Por lo tanto, para que exista torque medio distinto de cero, el ángulo de par debe ser constante.
· Para máquinas de corriente alterna, los campos Fe y Fr son rotatorios, luego se requiere que la velocidad de rotación sea la misma.
· Para máquinas de corriente continua, los campos Fe y Fr son estacionarios, fijando el ángulo de par.

Las condiciones mecánicas para la existencia de un Par medio distinto de cero son:

· El desplazamiento relativo de los campos magnéticos debe ser constante, pues el sin (d ) debe ser constante.
· El desfase entre los campos magnéticos debe ser distinto de cero y 180° .

En las máquinas eléctricas el Par se produce por medio de fenómenos magnéticos como los ya descritos en este ítem. La circulación de corrientes por el devanado de estator induce corrientes en el rotor lo cual genera inevitablemente un campo magnético rotatorio que produce así mismo un torque en la dirección de éste, que hace que el motor se mueva y por ende, que gire.

Sistema eléctrico - mecánico

VOLTAJE  INDUCIDO 

El voltaje inducido se produce al hacer girar mecánicamente el rotor de la máquina eléctrica en el que se ubican los devanados o grupos de bobinas dentro del campo magnético. También es posible inducir voltaje haciendo  además girar el campo magnético que atraviesa dichos devanados.

Las tensiones inducidas por un campo magnético variable originan una conversión electromecánica de energía cuando la variación de flujo está acompañado de movimiento mecánico. Esto queda cuantitativamente expresado por la ley de Faraday.

Conectando entre sí un grupo de bobinas de tal forma que todas las tensiones contribuyan positivamente al fin deseado, se obtendrá un devanado inducido.

En la máquina de inducción, la tensión inducida puede expresarse como:

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