Principios Esenciales de Electromagnetismo Aplicado a Máquinas y Transformadores
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1. Momento de Torsión (Par) y su Rol en el Movimiento Rotacional
El momento de torsión, comúnmente llamado par, puede describirse de manera simplificada como la “fuerza de torsión” aplicada a un objeto. En física, el par sobre un objeto se define como el producto de la fuerza aplicada al objeto y la distancia perpendicular desde el eje de rotación hasta la línea de acción de la fuerza (brazo de palanca).
En el contexto del movimiento rotacional de las máquinas, el par cumple un papel fundamental. Cuando un objeto rota, su velocidad angular permanece constante a menos que se ejerza un par sobre él. Cuanto mayor sea el par aplicado al objeto, más rápidamente cambiará su velocidad angular, es decir, mayor será su aceleración angular. Es el equivalente rotacional de la fuerza en el movimiento lineal.
2. La Ley de Ampère
La Ley de Ampère establece que la circulación de la intensidad del campo magnético (H) a lo largo de un contorno cerrado es directamente proporcional a la corriente eléctrica neta que atraviesa la superficie delimitada por dicho contorno. Matemáticamente, se expresa como:
∫ H ⋅ dl = Iencerrada
Esta ley es fundamental para calcular campos magnéticos generados por distribuciones de corriente con alta simetría.
3. Intensidad de Campo Magnético, Densidad de Flujo Magnético y su Relación
3.1. Intensidad de Campo Magnético (H)
La intensidad de campo magnético (H) es una medida del “esfuerzo” de una corriente eléctrica por establecer un campo magnético. Representa la parte del campo magnético que es independiente del material en el que se encuentra.
3.2. Densidad de Flujo Magnético (B)
La densidad de flujo magnético (B) es una medida de la cantidad de líneas de campo magnético que atraviesan una unidad de área perpendicular a la dirección del flujo. Es el campo magnético real que se produce en un material, como el núcleo de un transformador.
3.3. Relación entre H y B
La relación entre la intensidad de campo magnético (H) y la densidad de flujo magnético (B) está dada por la siguiente ecuación:
B = μH
Donde:
- B = Densidad de flujo magnético (medida en Teslas, T)
- μ = Permeabilidad magnética del material (medida en Henrios por metro, H/m)
- H = Intensidad de campo magnético (medida en Amperios por metro, A/m)
La permeabilidad magnética (μ) es una propiedad del material que indica qué tan fácilmente se magnetiza en respuesta a un campo magnético aplicado.
4. Utilidad de los Circuitos Magnéticos Equivalentes en el Diseño
Los conceptos de circuito magnético equivalente son de gran ayuda en el diseño de los núcleos de los transformadores y las máquinas eléctricas. Permiten simplificar el proceso de diseño al establecer una analogía directa con los circuitos eléctricos. De esta forma, se pueden aplicar métodos de análisis de circuitos (como las leyes de Kirchhoff) para predecir el comportamiento magnético de estructuras complejas, lo que de otra manera sería extremadamente complicado y requeriría cálculos de campo más avanzados.
5. ¿Qué es la Reluctancia?
La reluctancia (ℛ) es el análogo de la resistencia eléctrica en un circuito magnético. Representa la oposición de un material al establecimiento de un flujo magnético. Se mide en amperios-vuelta por Weber (A·vuelta/Wb) o Henrios inversos (H-1).
6. Materiales Ferromagnéticos y su Alta Permeabilidad
6.1. ¿Qué es un Material Ferromagnético?
Los materiales ferromagnéticos son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan ampliamente para el diseño y la constitución de los núcleos de los transformadores y las máquinas eléctricas. Se caracterizan por su fuerte respuesta a los campos magnéticos y su capacidad para retener magnetización.
6.2. ¿Por qué es tan alta la Permeabilidad de un Material Ferromagnético?
La alta permeabilidad de un material ferromagnético se debe a la presencia de dominios magnéticos. Estos son pequeñas regiones dentro del material donde los momentos magnéticos de los átomos están alineados en la misma dirección. Cuando se aplica un campo magnético externo, estos dominios se alinean con el campo, y los que ya están alineados crecen a expensas de otros. Este reforzamiento mutuo de los dipolos magnéticos produce una gran intensificación del campo magnético impuesto, incluso para campos magnéticos externos pequeños, lo que resulta en permeabilidades relativas muy altas.
7. Variación de la Permeabilidad Relativa con la Fuerza Magnetomotriz
La permeabilidad relativa de un material ferromagnético no es constante; varía significativamente con la fuerza magnetomotriz (FMM) aplicada. Cuando se grafica el flujo magnético producido en el núcleo del material ferromagnético contra la fuerza magnetomotriz que lo produce, se obtiene la “curva de magnetización o saturación”.
Al comienzo, un pequeño incremento en la fuerza magnetomotriz produce un gran incremento en el flujo resultante, lo que indica una alta permeabilidad. Después de cierto punto (la rodilla de la curva), aunque se incremente mucho la fuerza magnetomotriz, los incrementos en el flujo serán cada vez más pequeños. Finalmente, en la región de saturación, un incremento considerable de la fuerza magnetomotriz casi no produce cambio en el flujo, lo que implica que la permeabilidad efectiva del material disminuye drásticamente.
8. Histéresis y la Teoría de los Dominios
8.1. ¿Qué es la Histéresis?
La histéresis es un fenómeno que significa que la cantidad de flujo magnético presente en el núcleo de un material ferromagnético no solo depende de la cantidad de corriente aplicada a los devanados del núcleo en un momento dado, sino también de la historia previa del flujo y la magnetización en el núcleo. Esto da lugar a la conocida curva de histéresis.
8.2. Explicación de la Histéresis en Términos de la Teoría de los Dominios
En términos de la teoría de los dominios, la histéresis se produce porque cuando el campo magnético externo se suprime, los dominios magnéticos no regresan a una orientación completamente aleatoria o a sus posiciones originales de baja energía de manera espontánea. La energía para el alineamiento original fue provista por el campo magnético externo; cuando este campo se suprime, no hay una fuente de energía que ayude a los dominios a regresar a sus posiciones iniciales. Parte de la energía se disipa como calor, y el material retiene una magnetización residual, lo que requiere una fuerza magnetomotriz coercitiva para desmagnetizarlo completamente.
9. Pérdidas por Corrientes Parásitas y su Minimización
9.1. ¿Qué son las Pérdidas por Corrientes Parásitas?
Las pérdidas por corrientes parásitas (o corrientes de Foucault) son flujos de corrientes eléctricas inducidas que circulan dentro del material conductor de un núcleo cuando este está expuesto a un campo magnético alterno. Estas corrientes disipan energía al fluir en un medio resistivo, convirtiéndose en calor, lo que reduce la eficiencia de las máquinas eléctricas.
9.2. ¿Cómo Minimizar las Pérdidas por Corrientes Parásitas?
Para minimizar las pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo, se utiliza una técnica de laminación. Ya que la cantidad de energía perdida es proporcional al cuadrado de la frecuencia, al cuadrado de la densidad de flujo máxima y al cuadrado del espesor del material, y también a la longitud de los caminos recorridos dentro del núcleo, este se lamina en pequeñas tiras o láminas delgadas. Estas láminas están aisladas eléctricamente entre sí (generalmente con barniz o óxido), lo que limita drásticamente la longitud de los caminos que las corrientes parásitas pueden recorrer, reduciendo así su magnitud y, por ende, las pérdidas.
10. Razón de la Laminación de Núcleos en Campos Magnéticos Alternos
Todos los núcleos expuestos a la acción de campos magnéticos alternos (CA) son laminados precisamente para limitar al mínimo los recorridos de las corrientes parásitas. Al dividir el núcleo en láminas delgadas y aisladas, se aumenta la resistencia efectiva al flujo de estas corrientes, reduciendo significativamente las pérdidas de energía y el calentamiento indeseado del núcleo, lo cual es crucial para la eficiencia y el rendimiento de transformadores y máquinas eléctricas.