Generador, transformador, motor electrico

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de Faraday.

Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases. El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica.

Transformador eléctrico:

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctrica mente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Motor eléctrico:

El motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estátor y un rotor. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa adecuadamente o con frenos regenerativos.

Son utilizados en infinidad de sectores; instalaciones industriales, comerciales, particulares; como ventiladores, teléfonos, bombas, máquinas herramientas, aparatos electrodomésticos, herramientas eléctricas y unidades de disco. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC), tal como baterías de automóviles y por fuentes de corriente alterna (AC) bien sea directamente de la red eléctrica bifasica o trifasica. Los pequeños motores se pueden encontrar hasta en relojes eléctricos. Los motores de uso general con dimensiones y características más estandarizadas proporcionan la potencia adecuada al uso industrial. Los motores eléctricos más grandes se usan para propulsión de trenes, compresores y aplicaciones de bombeo con potencias que alcanzan 100 megavatios. Estos motores pueden ser clasificados por el tipo de fuente de energía eléctrica, construcción interna, aplicación, tipo de salida de movimiento, etcétera.

Electromagnetismo

"El electromagnetismo nace como una rama de la física gracias a un experimento de Oersted, en 1820, que marco la pauta para la producción de energía eléctrica, asociando el magnetismo y la electricidad"

El electromagnetismo es la parte de la electricidad que estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos. Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relación fue descubierta por casualidad.Así, hasta esa fecha el magnetismo y la electricidad habían sido tratados como fenómenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Sin embargo, esto cambió a partir del descubrimiento que realizó Hans Chirstian Oersted , observando que la aguja de una brújula variaba su orientación al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella. Los estudios de Oersted  sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno: las fuerzas magnéticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas eléctricas en movimiento.
El electromagnetismo es la base de funcionamiento de todos los motores eléctricos y generadores eléctricos.

Orígenes del electromagnetismo: el experimento de Oersted

Esta relación entre la electricidad y el magnetismo fue descubierta por el físico danés Hans Christian oersted. Éste observó que si colocaba un alfiler magnético que señalaba la dirección norte-sur paralela a un hilo conductor rectilíneo por el cual no circula corriente eléctrica, ésta no sufría ninguna alteración. Sin embargo en el momento en que empezaba a pasar corriente por el conductor, el alfiler magnético se desviaba y se orientaba hacia una dirección perpendicular al hilo conductor. En cambio, si dejaba de pasar corriente por el hilo conductor, la aguja volvía a su posición inicial. De este experimento se deduce que al pasar a una corriente eléctrica por un hilo conductor se crea un campo magnético.

Fuerza electromagnética

Cuando una carga eléctrica está en movimiento crea un campo eléctrico y un campo magnético a su alrededor. Así pues, este campo magnético realiza una fuerza sobre cualquier otra carga eléctrica que esté situada dentro de su radio de acción. Esta fuerza que ejerce un campo magnético será la fuerza electromagnética. Si tenemos un hilo conductor rectilíneo por donde circula una corriente eléctrica y que atraviesa un campo magnético, se origina una fuerza electromagnética sobre el hilo. Esto es debido a que el campo magnético genera fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento.Si en lugar de tener un hilo conductor rectilíneo tenemos un espiral rectangular, aparecerán un par de fuerzas de igual valor pero de diferente sentido situadas sobre los dos lados perpendiculares al campo magnético. Esto no provocará un desplazamiento, sino que la espira girará sobre si misma.

Campo magnetico

Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un vector axial, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales. El campo magnético es más comúnmente definido en términos de la fuerza de Lorentz ejercida en cargas eléctricas.Campo magnético puede referirse a dos separados pero muy relacionados símbolos B y H.

Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga eléctrica en movimiento y el momento magnético intrínseco de las partículas elementales asociadas con una propiedad cuántica fundamental, su espin. En la relatividad especial, campos eléctricos y magnéticos son dos aspectos interrelaciones de un objeto, llamado el tensor electromagnético. Las fuerzas magnéticas dan información sobre la carga que lleva un material a través del efecto Hall. La interacción de los campos magnéticos en dispositivos eléctricos tales como transformadores es estudiada en la disciplina de circuitos magnéticos.

Entre las definiciones de campo magnético se encuentra la dada por la fuerza de Lorentz. Esto sería el efecto generado por una corriente eléctrica o un imán, sobre una región del espacio en la que una carga eléctrica puntual de valor (q), que se desplaza a una velocidad , experimenta los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad (v) como al campo (B). Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente ecuación.

donde F es la fuerza magnética, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción magnética y densidad de flujo magnético. (Nótese que tanto F comov y B son magnitudes vectoriales y el producto vectorial tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B). El módulo de la fuerza resultante será:

La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad (la cual la podemos localizar en el espacio) de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre puede ser considerada un magnetómetro.

tipos de imanes

¿alguna vez, mientras utilizabas unas tijeras, esta atrajo un clip o una aguja? ¿has observado como algunos des armadores puede atraer tachuelas o clavos? Pues bien existen dos tipos de imanes: por una lado, los naturales, que se fabrican de piedra de imán o magnetita, que es en realidad un oxido de hierro; y por otro lado los artificiales, que son creados industrial mente a partir de alguna  aleación de metales, o de hierro dulce.


Imanes naturales:
Tienen la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas. Se caracterizara por atraer hierros es natural y no es influida por los seres humanos.
Están compuestos por el oxido de hierro.Son aquellos que se encuentran en la Tierra y que atraen al hierro. Denominados magnetita , hoy sabemos que es hierro cristalino Fe3O4. Pero también la Tierra es un imán natural.

imanes artificiales:

Son las sustancias magnéticas que al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes y conservan durante mucho tiempo su propiedad de atracción.
Son cuerpos que han sido imanados en forma artificial. El hierro y el acero pueden ser magnetizados. El acero se magnetiza permanentemente, como comprobaste con la aguja; lo mismo sucede con las tijeras: si la dejas en contacto con el imán durante un rato, se magnetizarán.

Imán: Es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético (que atrae o repele otro imán) significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes (por ejemplo, con un campo magnético terrestre).

Magnetismo

El magnetismo es la atracción de ciertos objetos hacia un imán. Los imanes, que ejercen una fuerza de atracción sobre los metales, pueden ser de dos tipos: naturales y artificiales.
Imán: es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes o metales ferromagnéticos (por ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos). Puede ser natural o artificial.





Partes del imán:

¿como se define el magnetismo?

 El magnetismo se refiere a la atracción de ciertos materiales hacia un imán. Esta propiedad ha sido amplia mente utilizada por el ser humano; por ejemplo, la puerta de los refrigeradores posee dos cintas magnéticas que la mantienen cerrada, lo cual favorece la conservación de la temperatura y, por tanto, de los alimentos.

Teoría Electromagnética

A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo.. En 1831, despúes de que Hans Oersted comenzará a describir una relación entre la electricidad y el magnetismo, y el francés André Marie Ampére seguido por el físico francés Dominique François profundizarán en dicho campo, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético.

Después de que el físico francés Pierre Ernst Weiss postulará la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada, lo que permitió que más tarde otros científicos predijeran muchas estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas.

Ley de Joule

De seguro cuando tocas un aparato eléctrico en funcionamiento, haz sentido que se encuentra caliente parte de su superficie o toda de ella. Los aparatos eléctricos generan un calor al entrar cuando entran en funcionamiento, debido a una circulación eléctrica. La energía cinética de los electrones, al circular se transforma en calor y eleva la temperatura del conductor, así se origina el efecto joule.

La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra.

Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor el movimiento de los electrones dentro del mismo produce choques con los átomos del conductor cuando adquieren velocidad constante, lo que hace que parte de la energía cinética de los electrones se convierta en calor, con un consiguiente aumento en la temperatura del conductor. Mientras más corriente fluya mayor será el aumento de la energía térmica del conductor y por consiguiente mayor será el calor liberado. A este fenómeno se le conoce como efecto joule. El calor producido por la corriente eléctrica que fluye través de un conductor es una medida del trabajo hecho por la corriente venciendo la resistencia del conductor; la energía requerida para este trabajo es suministrada por una fuente, mientras más calor produzca mayor será el trabajo hecho por la corriente y por consiguiente mayor será la energía suministrada por la fuente; entonces, determinando cuanto calor se produce se puede determinar cuanta energía suministra la fuente y viceversa.

La ley joule afirma que: "el calor que produce una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y el tiempo que dura circulando la corriente.

Q= 0.24/2Rt

Donde=

Q= cantidad de calor (cal)

0.24cal= 1 joule de trabajo

I= intensidad de corriente (A)

R= resistencia del aparato

t= tiempo que dura funcionando

• APLICACIONES DOMÉSTICAS
Muchas aplicaciones prácticas del efecto Joule intervienen en la construcción de los aparatos electrodomésticos, tales como planchas, hervidores, hornos, calentadores de ambiente y de agua, secadores, rizadores.

Ley de OHM

Seguramente habrás notado que toda la corriente que circula en tu casa es controlada por un switch o centro de carga que contiene dos o tres implementos que de seguro conoces, sobre todo deja de haber corriente en tu casa: Los fusibles. Esta es una aplicación de la ley de ohm por medio de la resistencia.
El pudo observar que al aumentar la diferencia de potencial en un circuito, mayor es la intensidad de la corriente eléctrica; también observo que al incrementar la resistencia del conductor disminuye la intensidad de la corriente eléctrica. La ley dice que "la intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor"

Formula:

Como despejar:

Resistencia electrica

Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al desplazarse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán George Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre.
La naturaleza del conductor: La plata tiene menor resistencia que el hierro para que circule la corriente
Longitud del conductor: A mayor longitud mayor resistencia
Sección o área transversal: A mayor área menor resistencia.
La temperatura: En los metales sus resistencias aumenta proporcionalmente a su temperatura

La unidad de la resistencia eléctrica en el SI es el ohm. Si deseamos conocer la resistencia de un alambre conductor a una temperatura (0°C), se utiliza la siguiente formula:

R=(p)L/A

Donde:

 R= Resistencia del conductor

p= Resistividad del material de que esta hecho el conductor a 0°C

A= área de la sección transversal del conductor

Para calcular la resistencia de un conductor a cierta temperatura t, si conocemos su resistencia a una temperatura de 0°C, utilizamos la siguiente expresión:
R(t)= R°(1+at)

Donde:
R(t)= resistencia del conductor a una temperatura t
R°= resistencia del conductor a 0°C
a= coeficiente de temperatura de la resistencia del material conductor
t= temperatura del conductor (°C)

Campo eléctrico e intensidad de corriente

Permite que las cargas eléctricas que poseen tipos de cargas que al interectuar entre ellas se pueden representar de manera que sus signos se atraen y las cargas de igual se repelen.
El campo eléctrico se puede representar gráficamente mediante lineas de fuerza. A continuación se presentan las siguientes imágenes, ejemplo de estas:

Para calcular la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva llamada carga de prueba. Esta es colocada en un punto de la región a investigar, si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, se dice que en ese punto existe un campo eléctrico, cuya intensidad es igual al cociente entre la fuerza y el valor de dicha carga de prueba. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera: 

E= f/q

Donde: 

E= intensidad del campo electrico (N/C)

F= fuerza que recibe la carga de prueba (N)

q= valor de la carga de prueba (C)

Ahora, si tambien se desea calcular el campo eléctrico de una determinada distancia del centro de una carga electrica se utiliza la siguiente expresión matemática:

Donde:

E= Intensidad del campo electrico (N/C)

k= constante de proporcionalidad

q= valor de la carga (C)

r= distancia desde un punto hacia el centro de la carga (m)

Potencia eléctrica.

La potencia eléctrica  se define como la rapidez con la que un aparato que emplea energía eléctrica realiza un trabajo; de igual manera se interpreta como la energía que consume una maquina o cualquier aparato eléctrico en un segundo.
La potencia se mide en watts (w) en el SI, que resulta de multiplicar la unidad de voltaje volt (v), por la unidad de intensidad de corriente que es el ampere (A). Matemáticamente se expresa:

P= VI

                                 Donde:

                             P= potencia eléctrica (w)

                         V= voltaje (v)

                     I= intensidad de la corriente

De igual forma con base la ley de ohm, la potencia eléctrica la podemos calcular con las siguientes expresiones: 

                                  P= I elevado al cuadrado R          P= V al cuadrado/ R

Esto nos indica que podemos calcular la potencia eléctrica si conocemos la intensidad de corriente y la resistencia.

Circuitos eléctricos.

El circuito eléctrico es un sistema  por el cual fluye la corriente  a través de un conductor en una trayectoria completa  debido a una diferencia de potencial o  voltaje, en cualquier circuito encontraremos lo siguiente…

Tres elementos:

-voltaje

-intensidad de corriente.

-resistencia.

a) Circuito abierto: cuando no circula por el
b) Circuito cerrado: cuando la corriente eléctrica circula por todo el sistema

Clasificación

Los circuitos eléctricos se clasifican de la siguiente forma:

      

                

Circuitos eléctricos en serie tienen las siguientes características: los elementos se conectan uno después de otro, así  la corriente tiene una misma trayectoria; el circuito se interrumpe si se abre en cualquier punto, esto se aprovecha para proteger y controlar sistemas eléctricos se conectan a una ser los fusibles y centros de carga  se conectan a una serie. 

Expresión matemática. Para calcular la resistencia equivalente de la combinación al conectar un circuito de dos o más series.

Re=resistencia equivalente del circuito

Re= R1+ R2+R3+...Rn =suma del valor de cada una de las resistencias hasta n número de ellas.

Circuitos eléctricos en paralelo o también llamados circuitos de conexión en derivación presentan las siguientes características los elementos se conectan en 2 alambres conductores que conducen hacia la fuente de voltaje; la corriente se divide  entre los elementos conectados al circuito  el voltaje permanece con la misma cantidad de circuitos  si el valor de la resistencia es pequeño la intensidad será grande.

Expresión matemática:para calcular la resistencia total del circuito.

Los circuitos mixtos:son aquellos a los que se conecta  las resistencias agrupadas tanto en serie como en paralelo. La forma de resolverlo es calcular  las resistencias equivalentes  parte por parte en cada conexión  ya sea se encuentre en serie o paralelo, con esto simplificamos  el circuito hasta encontrar la resistencia equivalente  a todo sistema eléctrico.

Expresión para calcular la intensidad:

I= I1+I2+I3++... In

Como I= V/R tenemos que:

I= V/R1+V/R2+V/R3+...V/Rn

Electrodinámica

La corriente eléctrica es el movimiento de cargas negativas a través  de un conductor, originada por el movimiento o flujo electrónico a través de un conductor, debido ala existencia de una diferencia de potencial  que permite que los electrones circulen de una terminal positiva a negativa.

Existen dos tipos de corriente eléctrica: La continua (CC) que obtenemos de pilas o baterías y utilizamos en relojes, lámparas de mano, dispositivos de audio,celulares y el control del televisor.

El otro tipo es la corriente alterna (CA) es la que utilizamos en nuestros aparatos electrodomésticos y se obtienen a partir de plantas generadoras de corriente eléctrica.

La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en un segundo. Expresado matemáticamente es así:

Donde:

I: intensidad de corriente eléctrica en Ampere=A=C/s

 q: carga eléctrica que pasa por la sección transversal del conductor( C )

 t: tiempo que tarda en pasar la carga(s)

la intensidad de la corriente eléctrica tiene una unidad en el SI al Ampere(A) y se utiliza mucho enla practica de unidades muy pequeñas de ella, como el miliampere(mA) =1X10-³  A y el microampere(mA) =1X10^-6 A

El amperímetro es el instrumento que nos permite medir la intensidad de la corriente eléctrica; es de gran ayuda la que la corriente no se puede ver, solamente se puede detectar y cuantificar por los efectos que produce.

                                                                                   

Problema resuelto

Por el cable de un cargador de celular circula una carga es de 8 milicoulombs en 0.04s.Encuentra la intensidad de la corriente eléctrica que circula a través del cable conductor