Fundamentos de Magnetismo y Funcionamiento de Máquinas Eléctricas en el Automotor

1. Magnetismo

El magnetismo es la propiedad que tienen algunas sustancias para atraer o repeler otras sustancias o materiales, como el hierro.

Imanes

Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo. Hay que destacar que estos pueden ser naturales o artificiales. (Fundamentos de la Electricidad y la Electrónica del Automotor - Escuela E.P.E.T N°1 Ing. Rogelio Boero, Ciclo orientado - 4° 7°- 4°8°, pág. 34).

El más común de los imanes naturales es un mineral llamado magnetita. Cuando un material ferromagnético se pone en contacto con un imán, se consigue un imán artificial. Este fenómeno se conoce como imantación. Una vez se aleja el imán del material magnético, este puede quedarse imantado permanentemente o mantener sus propiedades magnéticas durante un periodo determinado de tiempo (imán temporal).

Así, los imanes también pueden ser permanentes o temporales, según el material con el que se fabriquen.

• Imán artificial temporal (a)
• Imán permanente (b)

Cualquier imán presenta dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza. Estas zonas están situadas en los extremos del imán y son los denominados polos magnéticos: Norte y Sur.

Una de las propiedades fundamentales de la interacción entre imanes es que los polos iguales se repelen, mientras que los diferentes se atraen.

Otra característica de los imanes es que los polos no se pueden separar. Si un imán se rompe en dos partes, no se obtiene un polo norte y un polo sur por separado, sino que se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur. Si tenemos un imán suspendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma dirección. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imán se alinean según los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como imán natural.

El campo magnético

El campo magnético es la agitación que produce un imán a la región que lo envuelve. Es decir, el espacio que envuelve el imán, en que son apreciables sus efectos magnéticos, aunque es imperceptible para nuestros sentidos.

Para poder representar un campo magnético utilizamos las llamadas líneas de campo. Estas líneas nos dan una idea de:

• La intensidad del campo magnético, que es inversamente proporcional al espacio entre las líneas (a menos espacio, más intensidad).
• La dirección que tendrá el campo magnético. Las líneas de campo van desde el polo sur al polo norte en el interior del imán y desde el polo norte hasta el polo sur por el exterior.

Campo eléctrico

Carga eléctrica: propiedad de la materia que causa la interacción electromagnética. La cantidad de carga está cuantizada, es un múltiplo entero de la carga del electrón.

La interacción entre cargas determina que las cargas de distinto signo se atraen y las cargas del mismo signo se repelen. La electrización de un cuerpo consiste en que este gane electrones y quede electrizado con carga negativa, o pierda electrones y quede electrizado con carga positiva.

La carga se conserva: en la electrización no se crea ni se destruye carga, solo se transmite de unos cuerpos a otros, de manera que la carga total se mantiene constante.

En una región del espacio existe un campo eléctrico si al introducir en ella una carga de prueba experimenta una fuerza eléctrica. El campo eléctrico es la fuerza eléctrica que actuaría sobre la unidad de carga positiva situada en cada punto; su intensidad es el cociente entre el módulo de la fuerza y el valor absoluto de la carga.

Líneas de campo eléctrico

Representan gráficamente el campo eléctrico y poseen las siguientes características:

• Tienen la dirección y sentido del vector intensidad del campo.
• Son líneas abiertas que salen de las cargas positivas y terminan en las negativas.
• El número de líneas por unidad de superficie es proporcional a la intensidad de campo.

Electromagnetismo

Campo magnético creado por un conductor rectilíneo

Una vez establecido que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos, interesó establecer expresiones operativas que permitan calcular el campo creado por algunos tipos de corriente. Lógicamente, después de la experiencia de Oersted, el primer caso que se estudió fue la corriente rectilínea.

El resultado de la experiencia de Oersted indica que el campo magnético producido por una corriente rectilínea es perpendicular a dicha corriente. Además, el magnetismo natural muestra que las líneas de fuerza son cerradas en todas las experiencias. Por lo tanto, teniendo en cuenta la geometría de la situación, es lógico plantear que las líneas del campo deben ser circunferencias contenidas en planos perpendiculares a la corriente y con el centro en el conductor.

La veracidad de esta hipótesis se puede comprobar sencillamente colocando una brújula en diversas posiciones alrededor de la corriente o espolvoreando en un plano perpendicular a la corriente limaduras de hierro, que se imantan y dibujan las líneas del campo magnético.

Se constata también que el sentido de las líneas del campo magnético verifica respecto del de la corriente la llamada regla de la mano derecha o de cualquier rosca (como la de un tornillo o un sacacorchos). Esta regla tiene en cuenta que, si se invierte el sentido de la corriente eléctrica, también se invierte el sentido de circulación del campo magnético.

Campo magnético creado por una espira circular

En muchos dispositivos que utilizan una corriente para crear un campo magnético, tales como un electroimán o un transformador, el hilo que transporta la corriente está arrollado en forma de bobina formada por muchas espiras. Estudiaremos, en primer lugar, el campo creado por una espira.

• Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espiral, el campo magnético será circular. La dirección y el sentido del campo magnético dependen del sentido de la corriente eléctrica.
• Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hélice, tenemos una bobina o solenoide. En este caso se crea un campo magnético parecido al de una espira.

Una aplicación muy común de las bobinas son los electroimanes. Estos consisten en una bobina por donde circula una corriente eléctrica y que contiene un núcleo ferromagnético en su interior. Cuando por la bobina circula una corriente eléctrica, el núcleo de hierro se convierte en un imán temporal. Cuantas más espiras tenga la bobina, mayor será su campo magnético.

Inducción electromagnética

Para entender correctamente qué es la inducción electromagnética analizaremos una bobina (componente del circuito eléctrico en forma de espiral que almacena energía eléctrica):

• Si acercamos un imán a esta bobina, observamos que aparece una corriente eléctrica en la bobina.
• Si alejamos el imán, volverá a aparecer una corriente eléctrica, pero de sentido contrario a cuando lo acercábamos.
• En cambio, si dejamos el imán quieto, no aparece ninguna corriente. Este fenómeno también se produce si el imán está fijo y movemos la bobina.

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.

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 una espira 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 sí misma. Esta fuerza es la causante de la fuerza electromotriz (F.E.M.).

Fuerza electromotriz inducida (F.E.M.)

La corriente eléctrica que aparece en la bobina se conoce como corriente inducida. Para determinar el sentido de una corriente inducida se utiliza la llamada Ley de Lenz:

“La corriente inducida crea un campo magnético que se opone siempre a la variación de flujo magnético que la ha producido”.

Es la fuerza que se causa de la corriente inducida. Para determinar el valor de esta fuerza electromagnética inducida se utiliza la Ley de Faraday, que dice que:

“La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a la variación de flujo magnético por unidad de tiempo”.

Para entender esto, hará falta revisar el experimento de Faraday: una batería aportaba corriente a una bobina pequeña, creando un campo magnético a través de las espiras de la bobina (cables metálicos enrollados sobre su propio eje). Cuando esta bobina se movía dentro y fuera de una más grande, su campo magnético (cambiante en el tiempo por el movimiento) generaba un voltaje en la bobina grande.

La ley de Lenz

La ley de Lenz está relacionada con la ley de inducción de Faraday, que relaciona el campo magnético que atraviesa una bobina con la tensión inducida. En concreto, la ley de Faraday establece que la magnitud de la fuerza electromotriz (FEM) inducida en una bobina de alambre es proporcional a la velocidad de cambio del flujo magnético que pasa por la bobina.

La ley de Faraday no dice nada sobre cómo se produce un cambio en el flujo magnético que entra en la bobina. La bobina podría girar (como en un motor o generador), el área de la bobina que encierra el campo magnético podría estirarse o comprimirse, o la magnitud/dirección del campo magnético podría cambiar. Todos estos efectos producirían un cambio en el flujo magnético, provocando la generación de un campo electromagnético.

Si te fijas en la fórmula de la ley de Lenz, verás que hay un signo negativo. La ley de Lenz es la razón por la que ponemos ese signo en la ecuación. En resumen, la ley de Lenz dice que el campo electromagnético inducido tiene una polaridad que produce una corriente cuyo campo magnético se opone al cambio que la produce cuando el flujo magnético está aumentando. Cuando el flujo magnético disminuye, el campo electromagnético inducido tiene polaridad opuesta. Esta afirmación nos acerca al efecto de la ley de Lenz, donde la corriente inducida es siempre opuesta a los factores que la provocan.

Máquinas Eléctricas: Motores y Generadores

Llamamos máquinas eléctricas a los aparatos capaces de transformar energía eléctrica en cualquier otra forma de energía. En el caso que estamos viendo, tanto las dinamos como los alternadores pertenecen a la familia de las máquinas eléctricas. Las máquinas eléctricas son reversibles y pueden trabajar de dos maneras diferentes:

• Como motor eléctrico: Convierte la energía eléctrica en mecánica.
• Como generador eléctrico: Convierte la energía mecánica en eléctrica.

Las máquinas eléctricas se pueden dividir en rotativas y estáticas. En este caso vamos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas que constituyen los motores y los generadores.

Todas las máquinas rotativas están formadas por una parte fija llamada estator y otra móvil llamada rotor. Como cualquier componente mecánico, las máquinas eléctricas tienen unas pérdidas. Las más importantes son:

• Pérdidas mecánicas: Causadas por el rozamiento entre las piezas móviles.
• Pérdidas eléctricas: Debidas al efecto Joule.
• Pérdidas magnéticas: Dependen de las variaciones que se producen en los campos magnéticos y de la frecuencia.

Nuevamente, cabe destacar que las máquinas rotativas están formadas por una parte fija llamada estator, que tiene forma cilíndrica, y otra móvil llamada rotor. El rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos o cojinetes. El espacio de aire que separa el estator del rotor, necesario para que pueda girar la máquina, se denomina entrehierro.

Normalmente, tanto en el estator como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior. Uno de los devanados crea un flujo en el entrehierro y se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se denomina inducido. De igual manera, se podría situar el inductor en el estator y el inducido en el rotor o viceversa.

El generador de corriente

Un generador es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía mecánica en energía eléctrica. Lo consigue gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo componen: el rotor y el estator.

Cuando un generador eléctrico está en funcionamiento, una de las dos partes genera un flujo magnético (actúa como inductor) para que el otro lo transforme en electricidad (actúa como inducido). Los generadores eléctricos se diferencian según el tipo de corriente que producen. Así, nos encontramos con dos grandes grupos: los alternadores y las dinamos.

• Los alternadores: Generan electricidad en corriente alterna. El elemento inductor es el rotor y el inducido el estator. Un ejemplo son los generadores de las centrales eléctricas y el que se encuentra en el automóvil.
• Las dinamos: Generan electricidad en corriente continua. El elemento inductor es el estator y el inducido el rotor. Un ejemplo lo encontraríamos en la luz de una bicicleta que funciona a través del pedaleo.

Generador de corriente continua: la dinamo

El generador de corriente continua, también llamado dinamo, es una máquina a la cual le suministramos energía mecánica y la transforma en energía eléctrica. Las principales partes de esta máquina son:

Estator: parte fija exterior de la máquina

Contiene el sistema inductor destinado a producir el campo magnético. Está formado por:

• Polos inductores: Diseñados para repartir uniformemente el campo magnético. Distinguimos en ellos el núcleo y la expansión polar. El número de polos ha de ser par.
• Bobinas inductoras: Son las bobinas de excitación de los polos principales, colocadas alrededor del núcleo.
• Culata: Envoltura de la máquina realizada de material ferromagnético.

Rotor: parte móvil que gira dentro del estator

Al estar sometido a variación de flujo crea la F.E.M. inducida; contiene el sistema inducido. Está formado por:

• Núcleo del inducido: Cilindro construido para reducir las pérdidas magnéticas. Dispone de ranuras longitudinales para las espiras.
• Bobinado inducido: Formado por espiras distribuidas uniformemente.
• Colector: Cilindro solidario al eje formado por segmentos de cobre o láminas aisladas (delgas).
• Escobillas: Piezas de carbón-grafito o metálicas en contacto con el colector. Hacen la conmutación de la corriente y la transportan al exterior.
• Rodamientos: (buje o rulemán) Sirven de soporte y permiten el giro del eje.
• Entrehierro: Espacio entre rotor y estator.

La conmutación en las dinamos

La conmutación es la operación de transformación de una señal alterna a una señal continua. También se conoce como rectificación de señal. Las dinamos hacen esta conmutación ya que en sus bornes han de suministrar corriente continua.

Generador de corriente alterna: el alternador

Los generadores de corriente alterna o alternadores son máquinas que transforman energía mecánica, que reciben por el rotor, en energía eléctrica en forma de corriente alterna. Su estructura es la siguiente:

• Estator: Parte fija exterior. Formado por una carcasa metálica que sirve de soporte. En su interior se aloja el núcleo del inducido con los conductores del enrollamiento inducido.
• Rotor: Parte móvil que gira dentro del estator. Este es el más empleado para obtener electricidad y se utiliza en todos los vehículos actuales.

Al hacer girar la espira dentro del imán conseguiremos una tensión que variará en función del tiempo. Esta tensión tendrá una forma alterna, puesto que de 180º a 360º los polos estarán invertidos y el valor será negativo. El alternador mantiene la corriente alterna mientras la dinamo la convierte en corriente continua.

Motor eléctrico

Es una máquina que tiene la capacidad de transformar la energía eléctrica en mecánica. Esto lo realiza gracias a la acción de los campos magnéticos generados por sus bobinas. Normalmente están compuestos por un rotor y un estator.

Funcionamiento de un motor eléctrico

Existen diferentes tipos de motores eléctricos que operan en máquinas de todo tipo, desde vehículos hasta artefactos del hogar. Pero, en esencia, siempre funciona de la misma forma: por medio de la interacción entre corrientes sinuosas y un campo magnético, lo cual genera fuerza o energía dentro del mismo.

Parten del principio de inducción electromagnética que indica que cuando un conductor se encuentra en interacción con las líneas de flujo magnético y existe un movimiento entre ellos, en el conductor se induce un voltaje. Estando en un circuito cerrado, generará la circulación de una corriente eléctrica y, por consecuencia, la inducción de un campo magnético que interactuará con el existente, provocando un par y movimiento del mismo.

Todo esto permite que el rotor o parte giratoria se mueva, produciendo el ciclo de funcionamiento. Existen motores de corriente continua y motores de corriente alterna. A continuación, veremos un ejemplo con un motor de corriente continua alimentado por una batería.