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• SARA KATERIN ACUÑA MURCIA

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Cuadernillo N° 5 de Electromagnetismo

EM

Fenómenos Electromagnéticos en un Motor Eléctrico Reducido ¿Qué fenómenos electromagnéticos se presentan en el funcionamiento de un motor de corriente continua? Materiales y Equipos

cada media revolución como se requiere para tener una rotación

continua. Los materiales y equipos son los mostrados en los videos que los estudiantes deben observar para realizar las actividades del procedimiento y responder las preguntas de la evaluación de este cuadernillo, estos se encuentran en los sitios web: https://www.youtube.com/watch?v=Zxdc1egljuI&t=3s y https://www.youtube.com/watch?v=aqUJi2WsGjk&t=639s Con los títulos: ¡Cómo funciona un Motor Eléctrico cual de corriente Continua DC y El Motor de Corriente Continua.

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Temática Relacionada

Los motores eléctricos juegan un papel importante en la sociedad contemporánea, ellos son encontrados en una diversidad de aplicaciones como abanicos industriales, sopladores y bombas, maquinas, herramientas, aparatos electrodomésticos, herramientas eléctricas, unidades de discos, entre otras. Un motor eléctrico transforma energía eléctrica en energía mecánica (rotacional). Un motor opera de acuerdo con el principio de que se ejerce un torque sobre una bobina de alambre que conduce una corriente y que se encuentra suspendida en el campo magnético. Se monta la bobina en un cilindro grande llamado rotor o armadura, figura 1, de manera que la espira pueda girar continuamente en una dirección. De hecho, hay varias bobinas, aunque en la figura sólo se ilustra una. La armadura se monta en un árbol o eje. Cuando la armadura está en la posición mostrada en la figura 1, el campo magnético ejerce fuerzas sobre la corriente en la espira, como se indica en la figura (perpendicular a y a la dirección de la corriente). Sin embargo, cuando la bobina, la

girando en sentido horario en la figura 1, pasa más allá de la posición vertical, las fuerzas harían regresar a la bobina a la posición vertical si la corriente permaneciera igual. Sin embargo, si la corriente pudiera de alguna manera invertirse en el momento crítico, las fuerzas se invertirían, y la bobina continuaría girando en la misma dirección. Así, es necesario que la corriente sea alterna si el motor debe girar continuamente en una dirección Esto se logra en un motor de cd empleando conmutadores y escobillas; como se indica en la figura 2, la corriente de entrada pasa a través de escobillas fijas que frotan sobre los conmutadores conductores montados en el eje del motor. A cada media revolución, cada conmutador cambia su conexión hacia la otra escobilla. Así, la corriente en la bobina se invierte Figura 1 Diagrama de un motor simple de cd.

corriente continua es la rotación de varias bobinas montadas en rotor que girar alrededor de un eje. Se puede estudiar este fenómeno complejo, si se concentrada la atención en la rotación de una la espira de las bobinas del rotor debido al campo magnético originado en la armadura del motor. Para simplificar el cálculo de la expresión del torque sobre la espira, se considera que ésta es rectangular y que el campo es informe. Figura 2 La combinación de un conmutador y escobillas en un motor de cd garantiza que la corriente sea alterna en la armadura para mantener una rotación continua. Los conmutadores están unidos al árbol del motor y giran con él, mientras que las escobillas permanecen fijas.

La mayoría de los motores tienen varias bobinas, llamadas devanados, cada uno colocado en diferentes partes de la armadura, figura 3. La corriente fluye a través de cada bobina sólo durante una pequeña parte de una revolución, en el momento en que su orientación produce el torque máximo. De este modo, un motor produce un torque mucho más estable que la que se obtendría si se usara una sola bobina. Un motor ca, con corriente ca de entrada, puede trabajar sin conmutadores, ya que la corriente misma es alterna. Muchos motores usan bobinas de alambre para producir el campo magnético (electroimanes) en vez de un imán permanente. En realidad, el diseño de la mayoría de los motores es más complejo que el que describimos aquí; sin embargo, los principios generales son los mismos.

Figura 3 Motor con varios devanados.

El principal fenómeno electromagnético que se presenta en el funcionamiento de motor eléctrico de

En la figura 4a, cada uno de los dos segmentos del conmutador hacen contacto con una de las terminales, o escobillas, de un circuito externo que incluye una fuente de fem. Esto ocasiona que una corriente fluya hacia el rotor, por un lado, en color rojo, y salga del rotor por el otro lado, en azul. Por consiguiente, el rotor es una espira de corriente con momento magnético µ = 𝐼𝑨, dónde I es la corriente que circula por la espira y A es el vector del área encerrada por la espira. El rotor queda entre los polos opuestos de un imán permanente, por lo que hay un campo magnético B que ejerce un par de torsión sobre el rotor 𝝉 =µ×𝑩. Para la orientación del rotor sobre el rotor. Para la orientación del rotor que se aprecia en la figura 4a, el par de torsión hace que el rotor gire en sentido antihorario, en una dirección que alineará con µ y B. En la figura 4b, el rotor ha girado 90° a partir de su orientación en la figura 4a. Si la corriente a través del rotor fuera constante, éste se hallaría ahora en su orientación de equilibrio; simplemente oscilaría en torno de esta orientación. Pero aquí es donde entra en juego el conmutador; cada escobilla ahora está en contacto con los dos segmentos del conmutador. No hay diferencia de potencial entre los conmutadores, por lo que en este instante no fluye corriente por el rotor y el momento magnético es igual a cero. Por su inercia, el rotor continúa girando en sentido antihorario, y otra vez fluye corriente a través de él, como se aprecia en la figura 4c. Pero ahora hay corriente que entra en el lado azul del rotor y sale por el lado rojo, exactamente la situación opuesta a la situación de la figura 4a. a) Las escobillas están alineadas con los segmentos del conmutador

-Por tanto, el par de torsión magnético otra vez ocasiona que el rotor gire en sentido antihorario. Figura 4 Diagrama esquemático de un motor sencillo de cd. El rotor es una espira de alambre con libertad para girar alrededor de un eje; los extremos del rotor están adheridos a los dos conductores curvos que forman el conmutador. (Por claridad, las mitades del rotor se muestran en colores rojo y azul.) Los segmentos del conmutador están aislados unos de otros. -La corriente ingresa por el lado rojo del rotor y sale por el lado azul -Por tanto, el par de torsión magnético hace que el rotor gire en sentido antihorario. b) El rotor ha girado 900

. -Cada escobilla está en contacto con ambos segmentos del conmutador, por lo que la corriente se desvía totalmente del rotor. -Ningún par de torsión magnético actúa sobre el rotor. c) El rotor ha girado 1800

-Las escobillas están alineadas otra vez con los segmentos del conmutador. Esta vez la corriente entra por el lado azul del rotor y sale por el lado rojo.

Aun cuando la dirección de la corriente se haya invertido con respecto al rotor, éste ha girado 180° y el momento magnético µ está en la misma dirección con respecto al campo magnético. Entonces, el par de torsión magnético tiene la misma dirección en la figura 4c que en la figura 4a. Gracias al conmutador, la corriente se invierte cada 180° de giro, así que el par de torsión siempre tiene la dirección que hace que el rotor gire en sentido antihorario. Cuando el motor “aumenta su rapidez”, el par de torsión magnético promedio está apenas compensado por un par de torsión opuesto debido a la resistencia del aire, la fricción en los cojinetes del rotor, y la fricción entre el conmutador y las escobillas. El motor simple que se ilustra en la figura 4 tan sólo tiene una vuelta de alambre en su rotor. No obstante, en los motores prácticos el rotor tiene muchas vueltas; esto incrementa el momento y el par de torsión magnéticos, por lo que el motor puede hacer girar cargas más grandes. El par de torsión también se incrementa si se utiliza un campo magnético más intenso, que es la razón por la cual muchos diseños de motores utilicen electroimanes en vez de un imán permanente.

Montaje y Procedimiento Observen cuidadosamente el video que se encuentra en la dirección https://www.youtube.com/watch?v=Zxdc1egljuI&t=3s titulado: cómo funciona un Motor Eléctrico de corriente Continua DC, y responda las siguientes actividades:

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1. De los descubrimientos descriptos anteriormente, ¿cuál es el fenómeno electromagnético esencial, que se puede considerar como principio del motor eléctrico? El principal fenómeno electromagnético que se presenta en el funcionamiento de motor eléctrico de corriente continua es la rotación de varias bobinas montadas en rotor que girar alrededor de un eje.

Observen cuidadosamente el video que se encuentra en la dirección https://www.youtube.com/watch?v=aqUJi2WsGjk&t =639s , titulado: el Motor de Corriente Continua y responda las siguientes actividades. 2. Describa las partes básicas de un motor eléctrico. . • Escobillas • Imán permanente • Devanado del rotor • Colector de delgas • Estator • Limaduras de hierro

el devanado del rotor está conectado a una fuente de alimentación de corriente continua a través del anillo que llamamos colector de delgas Colector de delgas: cada semi-anillo del colector es una delga Estator: provee un campo magnético constante gracias a un imán permanente. Limaduras de hierro: son útil para observar un motor

Evaluación Tomando como insumo los cinco videos que aparecen materiales y equipos, la temática relacionada de este cuadernillo y las actividades realizadas. 1. Utilice el troque sobre una espira que conduce una corriente estacionaria en un campo magnético uniforme para explicar el funcionamiento de un motor eléctrico. pues es simplemente la fuerza de giro, si queremos podríamos llamarle la potencia que este motor tiene, la cual depende de varios factores, como lo es la cantidad de corriente, el espesor del alambre de cobre, la cantidad de vueltas del bobinado, la tensión entre otros. Esto es algo que ya viene determinado por el fabricante, y que nosotros poco podemos hacer, más que jugar con uno que otro parámetro.

3. ¿Cuál es la función que cumple cada una de las partes del motor eléctrico descritas anteriormente en su funcionamiento? •

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Escobillas: su función es realizar la presión necesaria sobre los colectores o anillos rotatorios Imán permanente: está en conjunto con las escobillas tienen una función que es hacer girar al rotor. Devanado del rotor: es una simple espira, en este caso un conjunto de espiras al que llamamos arrollamiento, bobina o devanado,

2. Utilice el principio de conservación de la energía para explicar para explicar como un motor de corriente continua transforma energía eléctrica en mecánica.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la

interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha.

Referencias 1. Brauer, Wolfang y Westfall, Gary. Física para ingeniería y ciencias, con física moderna, volumen 2, primera edición, Mcgrawhill/interamericana editores: México 2011, 2. Giancoli, Douglas. Física para ciencias e ingeniería con física moderna, volumen II, cuarta edición, pearson educación. México, 2009. 3. Sears, Zemansky. Física universitaria, con física moderna volumen 2, decimosegunda edición, Pearson Educación. México, 2009. 4. Serway, Raymond y Jewett, John. Física para ciencias e ingeniería con Física Moderna, volumen 2, séptima edición, Cengage Learning Editores. México, 2009.

Integrantes José David Carrillo Villazón Sara Katerin Acuña Murcia Alejandro Gambin Jesús Camacho Roberto Orcasita