Electroimán

Se puede crear un electroimán simple enrollando una bobina de alambre alrededor de un núcleo de hierro blando como un clavo grande.

De los tutoriales anteriores, ahora sabemos que un conductor recto que transporta corriente crea un campo magnético circular alrededor de sí mismo en todos los puntos. a lo largo de su longitud y que la dirección de rotación de este campo magnético depende de la dirección del flujo de corriente a través del conductor, que es la regla del lado izquierdo.

En el último tutorial sobre electromagnetismo vimos que cuando doblamos el conductor en un solo bucle, la corriente fluye en direcciones opuestas a través del bucle, creando un campo en sentido horario y un campo en sentido antihorario uno al lado del otro. El electroimán utiliza este principio al conectar magnéticamente varios bucles individuales para crear una sola bobina.

Los electroimanes son básicamente bobinas de alambre que actúan como barras magnéticas con un polo norte y sur distintos cuando una corriente eléctrica fluye a través de la bobina. El campo magnético estático creado por cada bucle de bobina individual se suma con su vecino, y el campo magnético combinado se concentra como el bucle de un solo cable que vimos en el medio de la bobina en el último tutorial. El campo magnético estático resultante con un polo norte en un extremo y un polo sur en el otro extremo es uniforme y mucho más fuerte en el centro de la bobina que en el exterior.

Líneas de fuerza alrededor de un electroimán

Electromagnetic Coil - Electroimán - ClasesParaTodos.org

El campo magnético generado de esta manera se extiende en forma de barra magnética, lo que da como resultado un polo norte y sur característicos, siendo el flujo proporcional a la cantidad de corriente que fluye en la bobina. Si se enrollan capas adicionales de alambre en la misma bobina con la misma corriente que fluye, la fuerza del campo magnético aumenta.

De esto se puede ver que la cantidad de flujo disponible en un circuito magnético dado es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de él y al número de vueltas de alambre dentro de la bobina. Esta relación se llama tensión magnética o MMF y se define como:

magneto motive force equation- Electroimán - ClasesParaTodos.org

La tensión magnética se expresa cuando la corriente I fluye a través de una bobina. N vueltas, la intensidad del campo magnético de un electroimán está determinada por los amperios envueltos de la bobina. Cuantas más vueltas de alambre haya en la bobina, mayor será la fuerza del campo magnético.

La fuerza magnética del electroimán

Ahora sabemos que donde dos conductores adyacentes transportan electricidad, los campos magnéticos se forman de acuerdo con la dirección del flujo de corriente. La interacción resultante de los dos campos es tal que los dos conductores experimentan una fuerza mecánica.

Cuando la corriente fluye en la misma dirección (el mismo lado de la bobina), el campo entre los dos conductores es débil y crea una fuerza de atracción como se muestra arriba. Cuando la corriente fluye en direcciones opuestas, el campo entre ellos también se fortalece y los conductores se repelen.

La intensidad de este campo alrededor del conductor es proporcional a la distancia desde él, el punto más fuerte está al lado del conductor y se debilita progresivamente más lejos del conductor. Para un solo conductor recto, la corriente que fluye y la distancia desde ella son factores que determinan la intensidad del campo.

La fórmula para calcular la «intensidad del campo magnético», H, a veces llamada «fuerza de magnetización» de un conductor de corriente largo y conductor recto, se deriva de la corriente que fluye a través de él y la distancia desde él.

Intensidad del campo magnético para electroimanes

magnetising force - Electroimán - ClasesParaTodos.org
  • Donde:
  • H – es la intensidad del campo magnético en amperios-vueltas/metro, At/m
  • N – el número de vueltas de la bobina
  • I – es la corriente que fluye a través de la bobina en amperios, A
  • L . – es la longitud de la bobina en metros, m 

En resumen, la fuerza o intensidad de un campo magnético de la bobina depende de los siguientes factores.

  • -El número de vueltas de cable dentro de la bobina.
  • -La cantidad de corriente que fluye en la bobina.
  • -El tipo de material del núcleo.

La fuerza del campo magnético del electroimán también depende del tipo de material del núcleo que se utiliza como el propósito principal del núcleo, concentrar el flujo magnético en una ruta bien definida y predecible. Hasta ahora solo se han considerado bobinas de núcleo de aire (huecas), pero la introducción de otros materiales en el núcleo (el centro de la bobina) tiene un efecto de control muy grande sobre la fuerza del campo magnético.

Electromagnet - Electroimán - ClasesParaTodos.org

Electroimán con clavo. 

Si el material no es magnético, por ejemplo madera, se puede considerar espacio libre a efectos de cálculo porque tiene valores de permeabilidad muy bajos. Sin embargo, cuando el material del núcleo está hecho de un material ferromagnético como hierro, níquel, cobalto o una mezcla de sus aleaciones, se observa una diferencia considerable en la densidad de flujo alrededor de la bobina.

Los materiales Ferromagnéticos son aquellos que se pueden magnetizar y comúnmente están hechos de hierro dulce, acero o varias aleaciones de níquel. La colocación de este tipo de material en un circuito magnético hace que el flujo magnético se concentre, haciéndolo más concentrado y denso, y aumentando el campo magnético creado por la corriente en la bobina.

Podemos probar esto envolviendo una bobina de alambre alrededor de un gran clavo de hierro blando y conectándolo a una batería como se muestra. Este sencillo experimento en el aula nos permite tomar una gran cantidad de clips o pines y fortalecer el electroimán agregando más vueltas a la bobina. Este grado de intensidad del campo magnético, ya sea a través de un núcleo de aire hueco o mediante la introducción de materiales ferromagnéticos en el núcleo, se denomina permeabilidad magnética.

Permeabilidad de los electroimanes

Cuando se utilizan núcleos de diferentes materiales con las mismas dimensiones físicas en el núcleo, la fuerza del imán variará con respecto al material del núcleo utilizado. Esta variación en la fuerza del imán se debe al número de líneas de flujo que atraviesan el núcleo central. Si el material magnético tiene una alta permeabilidad, las líneas de flujo se pueden generar fácilmente y pasar a través del núcleo central, la permeabilidad (μ) es una medida de la facilidad con la que se puede magnetizar el núcleo.

La constante numérica dada para la permeabilidad de un vacío se da como: μo = 4.π.10-7 H/m, donde la permeabilidad relativa del espacio libre (un vacío) generalmente tiene un valor de uno. Este valor se utiliza como referencia en todos los cálculos de permeabilidad, y todos los materiales tienen sus propios valores de permeabilidad específicos.

El problema de usar solo la permeabilidad de diferentes núcleos de hierro, acero o aleación es que los cálculos pueden ser muy grandes, por lo que es más conveniente definir los materiales en términos de su permeabilidad relativa.

Permeabilidad relativa, símbolo μr es el producto de μ (permeabilidad absoluta) y μo es la permeabilidad del espacio libre y se da como.

Permeabilidad relativa

relative permeability equation - Electroimán - ClasesParaTodos.org

Los materiales cuya permeabilidad es ligeramente inferior a la del espacio libre (vacío) y que tienen una susceptibilidad negativa débil a los campos magnéticos se consideran diamagnéticos,. Ej: agua, cobre, plata y oro. Se dice que los materiales con una permeabilidad ligeramente mayor que la del espacio libre y que son atraídos sólo ligeramente por un campo magnético son de paramagnética naturaleza, como los gases, el magnesio y el tantalio.

Electroimán Ejemplo No1

relative permeability  - Electroimán - ClasesParaTodos.org

La permeabilidad absoluta de un núcleo de hierro dulce se da como 80 mili-henries/m (80.10.valor de-3) Calcula la permeabilidad relativa equivalente.

Cuando se utilizan materiales ferromagnéticos en el núcleo, el uso de la permeabilidad relativa para definir la intensidad del campo da una mejor idea de la intensidad del campo magnético para los diferentes tipos de materiales utilizados. Por ejemplo, el vacío y el aire tienen una permeabilidad relativa de uno, y para un núcleo de hierro es de alrededor de 500, por lo que podemos decir que la intensidad de campo de un núcleo de hierro es 500 veces más fuerte que una bobina de aire hueca equivalente, y esta relación también es mucho más fácil entenderlo como 0,628 × 10 ·· 10-3 H / m (500,4π-7).

Si bien el aire puede tener una permeabilidad de solo uno, algunos materiales de ferrita y permalloy pueden tener una permeabilidad de 10,000 o más. Sin embargo, existen límites para la fuerza del campo magnético que se puede obtener de una sola bobina cuando el núcleo se satura mucho con el aumento del flujo magnético. Esto se trata en el siguiente tutorial sobre curvas sostén e histéresis.

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