miércoles, 10 de marzo de 2010

- -reacctancia, bobina, electroiman- -

Reactancia inductiva:

Los efectos de la corriente eléctrica que circula sobre un conductor son dos principales, el calórico y el magnético.
El calórico es llamado
efecto Joule y es el que calienta una resistencia de una plancha de ropa, un filamento de lamparilla, un fogón eléctrico, o una parrilla de interiores.
El efecto magnético pone en marcha los
motores eléctricos, se usa en el reactor de tubo fluorescente para limitar la corriente circulante, produce una chispa eléctrica en un encendedor de cocinas del tipo "magic click" o está presente en los chisperos de encendido en cocinas que ya lo integran, etc.
Resistencia y reactancia
La
resistencia eléctrica es definida como la dificultad u oposición que una corriente eléctrica tiene para circular por un conductor eléctrico, por ello "paga" un cierto "precio" en forma de "energía disipada por calor", la que es producida por esta circulación.
En el caso de no ser un conductor común por tener una capa de barniz y estar enrollado sobre una cavidad o hueco muchas veces como una
bobina, existirá una concentración de los efectos calóricos y magnéticos dentro de la bobina. Ahora bien, si la corriente circulante es del tipo que cambia de sentido periódicamente o corriente alterna, tanto el efecto calórico como el magnético variarán de acuerdo con leyes físicas ya conocidas, siendo el efecto magnético el que más interesa en este asunto. La ley de Lenz dice que todo conductor sometido a un campo magnético variable, crea en sí una corriente inducida que tiende a oponer sus efectos a la causa que la produce. Llamamos a la oposición a la circulación reactancia. Para una bobina o inductancia es denominada reactancia inductiva.
Pues bien, si la reactancia inductiva es lo que se opone a la circulación de una corriente variable y justamente aparece por la circulación de esta corriente variable, ya sea
alterna o continua pulsante, es de esperar que sus efectos sean más acentuados cuanto mayor sea la concentración de magnetismo en el inductor. Como sabemos que el magnetismo aparece cuando circula una corriente eléctrica, es de suponerse que este magnetismo (y por ende su reacción), sea mayor cuanto mayor sea esta corriente circulante y que del mismo modo mayor será la concentración del magnetismo cuanto más veces la corriente pase por el mismo lugar donde creará el campo magnético o sea cuanto mayor sea la cantidad de las espiras o vueltas que la bobina inductora o inductor posea.
Breve descripción de este simple fenómeno: la reacción de la
bobina o inductor a la corriente variable puede ser explicada al suponer que el campo magnético creado fuese otra forma de energía que al crearse absorbe de la energía eléctrica aquel conocido efecto magnético y al desaparecer devuelve una gran parte de la energía eléctrica absorbida para su creación.

Heinrich Daniel Ruhmkorff:
Bobina de inducción de Ruhmkorff
Heinrich Daniel Ruhmkorff o Rühmkorff (
Hanóver, 15 de enero de 1803París, 20 de diciembre de 1877) fue un físico alemán, inventor de la bobina de inducción.
Se estableció en París, donde se dedicó principalmente a la construcción de aparatos e instrumentos eléctricos de gran calidad y precisión. Ideó el carrete que lleva su nombre, popular instrumento del siglo XIX, (creado por primera vez en
1851). Como ocurre en otros casos, los carretes de inducción fueron construidos gracias a las aportaciones de un gran número de autores, desde científicos hasta constructores, inventores o ingenieros.
La llamada bobina de inducción o
bobina de Ruhmkorff, de invención anterior a la de los transformadores de corriente alterna, es un verdadero transformador polimorfo y elevador, en el que se obtiene, a partir de una corriente primaria continua y de poca fem (pilas o acumuladores), otra de alta tensión y alterna.
El carrete está constituido por un núcleo integrado por un haz de hilos de hierro dulce alrededor del cual se arrolla el circuito primario que es un alambre de cobre grueso y relativamente corto, de pocas vueltas, y por encima de este, convenientemente aislado, se arrolla el circuito secundario, hilo delgado y de mucha longitud (muchas vueltas) cuyos extremos están formando los llamados polos del aparato.
Ruhmkorff se interesó por estos instrumentos a mediados del
siglo XIX e introdujo varias mejoras en los dispositivos existentes hasta entonces: incrementó la longitud del alambre, separó los carretes primario y secundario mediante un tubo aislante de vidrio y, siguiendo los consejos del físico Hippolyte Fizeau, colocó un condensador entre los contactos del interruptor, lo que permitía reducir considerablemente las chispas producidas al conectar el carrete a una pila eléctrica y mejorar los resultados. La parte principal del instrumento eran los dos alambres enrollados en la parte central, uno grueso (entre 2 y 2,5 mm) y otro fino (de ¼ a 1/3 de mm) (Ganot, 1887), aislados mediante un recubrimiento adecuado. El alambre más grueso se encontraba arrollado en torno a un cilindro que formaba el núcleo del carrete. El conjunto se cerraba con una capa aislante cilíndrica sobre la que se arrollaba el segundo alambre, más delgado, y de una longitud mucho más grande. Para hacer funcionar el instrumento, se hacía pasar una corriente eléctrica a través del alambre grueso que, de este modo, producía una corriente inducida en el alambre más fino. El fenómeno de inducción se producía con la variación de la corriente, por lo que era necesario producir el cierre y la apertura de la corriente mediante un interruptor que inicialmente fue de martillo y, más adelante, fue sustituido por otro de mercurio, desarrollado por el físico Léon Foucault.
El carrete de Ruhmkorff se emplea para generar elevadas diferencias de potencial. Las elevadas diferentes de potencial producidas podían ser aplicadas sobre los extremos de un tubo de Crookes para provocar la emisión de unos rayos que, por su caracter desconocido, fueron denominados "rayos X". Estos podía ser empleados para realizar "fotografías a través de los cuerpos opacos"
Murió en
1877 en París, Francia; a los 74 años de edad.

Electroimán:

Un electroimán es un tipo de
imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Es producido mediante el contacto de dos metales; uno en estado neutro y otro hecho por cables e inducido en electricidad.
Fue inventado por el electricista británico
William Sturgeon en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Sturgeon demostró su potencia levantando 4 kg con un trozo de hierro de 200 g envuelto en cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.
La corriente (I) fluyendo por un cable produce un campo magnético (B) en torno a él. El campo se orienta según la regla de la mano derecha.
El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre
enrollado. Una bobina con forma de tubo recto de dos formas (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.
Los campos magnéticos generados por bobinas, de cable se orientan según la
regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente que circula por la bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El lado del imán del que salen las líneas del campo se define como «polos nortes».
Además, en el sistema del Gus electroimán, dentro de la bobina se crearán corrientes inducidas cuando estas están sometidas a un flujo variable. Estas corrientes son llamadas
corrientes de Foucault. En generales, estas corrientes son indeseables, puesto que calentarán el núcleo y aparecerá una pérdida de potencia en forma de calor.
Electroimán e imán permanente

La principal ventaja de un electroimán sobre un
imán permanente es que el campo magnético puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesitan unas fuentes continuas de energías eléctricas para mantener el campo.
Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del material, llamados
dominios magnéticos, se alinean con el campo aplicado, haciendo que la fuerza del campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios terminarán alineándose, condición que se denomina saturación. Cuando el núcleo se satura, un mayor aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente pequeño del campo magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden realinearse por sí mismo. En este caso, parte del campo magnético original persistirá incluso después de que se retire la corriente, haciendo que el núcleo se comporte como un imán permanente. Este fenómeno, llamado remanencia, se debe a la histéresis del material. Aplicar una corriente alterna decreciente a la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su punto de Curie reorientará los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.
En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes suelen ser superiores. Adicionalmentes, esto pueden ser fabricados para producir campos magnéticos más fuertes que los electroiman de tamaños similar.
Dispositivos que usan electroimanes

Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo magnético variable rápida o fácilmente. Muchas de estas aplicaciones implican la deflección de
haces de partículas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catódicos y el espectrómetro de masa.
Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en los frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los frenos electromagnéticos se adhieren directamente a los raíles. Se usan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar magnéticamente metales en
chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación magnética usan poderosos electroimanes para flotar sin tocar la pista. Algunos trenes usan fuerzas atractivas, mientras otros emplean fuerzas repulsivas.
Los electroimanes se usan en los
motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que impulse la armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es el usado más a menudo debido a su bajo coste, y a veces se emplea aluminio para reducir el peso.
Fuerza sobre los materiales ferromagnéticos

Calcular la fuerza sobre materiales
ferromagnéticos es, en general, bastante complejo. Esto se debe a las líneas de campo de contorno y a las complejas geometrías. Puede simularse usando análisis de elementos finitos. Sin embargo, es posible estimar la fuerza máxima bajo condiciones específicas. Si el campo magnético está confinado dentro de un material de alta permeabilidad, como es el caso de ciertas aleaciones de acero, la fuerza máxima viene dada por:
Donde:
F es la fuerza en
newtons;
B es el campo magnético en
teslas;
A es el área de las caras de los polos en
;
μo es la
permeabilidad magnética del espacio libre.
En el caso del espacio libre (aire), , siendo la fuerza por unidad de área (presión):
, para B = 1 tesla
, para B = 2 teslas
En un
circuito magnético cerrado:
Donde:
N es el número de vueltas del cable en torno al electroimán;
I es la corriente en
amperios;
L es la longitud del circuito magnético.
Sustituyendo, se obtiene:

Por su fuerza se usan para levantar contenedores de más de 25 Toneladas mas el peso de la carga y vehículos
Para construir un electroimán fuerte, se prefiere un circuito magnético corto con una gran superficie. La mayoría de los materiales ferromagnéticos se saturan sobre 1 a 2 teslas. Esto sucede a una intensidad de campo de 787 amperios×vueltas/metro.
Por esta razón, no hay motivos para construir un electroimán con una intensidad de campo mayor. Los electroimanes industriales usado para levantar peso se diseñan con las caras de ambos polos en un lado (el inferior). Eso confina las líneas de campo para maximizar el campo magnético. Es como un cilindro dentro de otro. Muchos
altavoces usan una geometría parecida, aunque las líneas de campo son radiales al cilindro interior más que perpendiculares a la cara.