Fundamentos de Electrostática, Electrodinámica y Electromagnetismo

Electrostática: Fuerza producida por la carga eléctrica.

Campos Eléctricos

El campo eléctrico es la región del espacio alrededor de una carga en la que se manifiestan las fuerzas de atracción o de repulsión sobre otras cargas que pudieran estar en dicho espacio. La unidad del campo eléctrico en el SI es el Newton sobre Coulomb (N/C).

Líneas de Campo Eléctrico

Las líneas de campo eléctrico, también llamadas líneas de fuerza, se utilizan para representar gráficamente un campo eléctrico. Son tangentes, en cada punto, a la intensidad del campo y se dibujan como rayos que salen de un punto, como si fueran vectores.

Intensidad de Campo Eléctrico (E)

La intensidad de campo eléctrico (E) es el cociente entre la fuerza (F) que el campo ejerce sobre una carga de prueba situada en ese punto y el valor (q) de dicha carga. Es una magnitud vectorial.

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa a dichas cargas, dependiendo de una constante de Coulomb (k) según el medio en que estén presentes. La unidad de fuerza es el Newton.

Electrodinámica

La electrodinámica es el estudio de las relaciones entre los fenómenos eléctricos, magnéticos y mecánicos. Incluye el análisis de los campos magnéticos producidos por las corrientes, las fuerzas electromotrices inducidas por campos magnéticos variables, la fuerza sobre las corrientes en campos magnéticos, la propagación de las ondas electromagnéticas y el comportamiento de partículas cargadas en campos magnéticos y eléctricos.

En máquinas eléctricas, lo que se aprovecha de los campos eléctricos y los campos magnéticos es mayormente la FUERZA QUE PRODUCEN.

Electromagnetismo

El electromagnetismo estudia los campos magnéticos producidos por la circulación de una corriente eléctrica. Es una rama de la física que estudia las relaciones entre la electricidad y el magnetismo, es decir, el campo magnético creado por la corriente eléctrica y el efecto de un campo magnético sobre una corriente eléctrica.

Dentro de esta rama se hallan, por el hecho de basarse en las leyes del electromagnetismo, la electrodinámica y la inducción electromagnética, que tratan, respectivamente, de las acciones ponderomotrices entre las corrientes eléctricas y de las fuerzas electromotrices inducidas en un circuito por la variación del flujo electromagnético. Las leyes del electromagnetismo son la base del funcionamiento de los electroimanes de los motores eléctricos, las dinamos y los alternadores.

La conexión entre la electricidad y el magnetismo ya se sospechaba desde hace mucho tiempo, y en el año 1820 el físico Danés Hans Christian Orsted demostró que un flujo de corriente eléctrica a través de un hilo produce un campo electromagnético. Andre-Marie Ampere, en Francia, repitió inmediatamente los experimentos de Orsted y en poco tiempo fue capaz de expresar la relación entre corriente y conductor con una fórmula matemática simple y elegante. Además demostró que un flujo de corriente eléctrica en disposición circular produce un dipolo magnético.

Leyes del Electromagnetismo

• Ley de Ampere
• Ley de Lenz
• Ley de Faraday
• Ley de Biot-Savart
• Ley de Lorentz
• Ley de Prescot Joule
• Ley de Maxwell

Máquinas de Corriente Directa (CD)

La máquina de CD es una máquina eléctrica que transforma la energía eléctrica de CD en energía mecánica rotatoria, y viceversa. Básicamente está formada por un rotor que contiene el devanado inducido y un estator donde se instala el devanado inductor. El rotor o armadura se construye de láminas de material ferromagnético (hierro o acero) aisladas unas de otras con una capa de barniz o de papel aislante. El estator está formado por una carcasa construida en muchas ocasiones de una sola pieza sobre la que se colocan los núcleos polares. Éstos últimos son laminados como la armadura y a su alrededor se instalan las láminas inductoras.

Sobre el eje de la armadura se instala el colector, que está compuesto por delgas de cobre aisladas entre sí sobre las cuales se suelda la terminal del devanado de armadura. La misión del colector es dar paso a la corriente que alimenta al inducido desde las escobillas y la conectan al circuito exterior.

Las escobillas, construidas de cobre o de carbón, se instalan en los portaescobillas, cuyo objeto es soportarlas y mantenerlas en la posición adecuada sobre el colector. Los portaescobillas se montan a su vez en un puente que permite cambiar la posición de las escobillas adaptándose a las condiciones de la operación del motor.

Las bobinas de campo que se colocan en los núcleos polares son construidas con diferentes características.

La forma en cómo se conectan las bobinas del campo con las bobinas de la armadura es lo que define el tipo de generador o motor. Es decir, la interconexión entre los dos circuitos da origen al nombre del generador o motor: paralelo (shunt), de excitación independiente o separada, serie y mixto (compound).

Elementos Esenciales de una Máquina de Corriente Directa

Los elementos esenciales de una máquina de corriente directa son:

1. Estructura inductora: Es necesaria para crear un circuito magnético para conducir el flujo y sostener las bobinas inductoras. Básicamente el circuito o estructura magnética consta de un núcleo y de cuerpos polares.
2. Bobinas inductoras: Pueden consistir en:
   • Bobinas shunt, paralelas o en derivación, bobinadas con muchas espiras de hilo, conectadas en serie una con la otra.
   • Bobinas serie con pocas espiras de hilo más grueso, las cuales están conectadas en serie con el inducido y la línea.
   • En algunos casos con un polo auxiliar.
3. Inducido o elemento giratorio: Es el elemento giratorio, y está constituido por chapas ranuradas entradas a presión sobre el eje. Las chapas desempeñan la misión de proporcionar un paso al flujo magnético y de sostener el arrollamiento inducido.
4. Colector y escobillas: Se precisan para llevar la corriente al inducido.
5. Escobillas: Tienen la función de transmitir al exterior la energía de CD que se está generando cuando la máquina de CD funciona como generador. Por el contrario, cuando funciona como motor, las escobillas desarrollan la función de transmitir desde el exterior el voltaje aplicado a la armadura.
6. Polos de conmutación: Son utilizados algunas veces en los motores de CD de potencia fraccionaria para mejorar la conmutación. Un ejemplo de estos polos se muestra en la figura, estos son pequeños polos auxiliares dispuestos a la mitad del espacio comprendido entre los polos principales y conectados en serie con el inducido.

El rotor-armadura-inducido, estator-campo-inductor-devanado excitador.