ELECTROMAGNETISME

 

ELS IMANTS:

Els imants tenen la propietat d'atraure i subjectar el ferro i en menys mesura, niquel, cobalt i alguns aliatges.

 

 

CAMP MAGNÈTIC D'UN IMANT: 

 

El camp magnètic és la regió de l'espai on es fan sensibles l'acció de les forces magnètiques.

 

La propietat que tenen els imants d'atraure el ferro es presenta de forma més intensa en el els seus extrems que s'anomenen pols.

 

S'anomena pol nord, aquell costat de l'imant que si l'imant es pot moure, s'orienta cap al pol nord geogràfic i s'anomena pol sud, aquell costat de l'imant que si l'imant es pot moure, s'orienta cap al pol sud geogràfic.

 

No es possible aïllar un pol, cada imant té un pol nord i un pol sud. 

El centre d'un imant s'anomena zona o línia neutre. A la línia neutre són nuls els efectes magnètics.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Inducció i flux magnètics

 

El camp magnètic es representa per línies tancades, anomenades línies de força.  S'ha fixat que el sentit d'aquestes línies de força és de nord a sud per l'exterior de l'imant i de sud a nord pel seu interior.

Les accions magnètiques són més intenses en les zones on les línies de força estan més juntes.

 

 

La inducció magnètica

 

La inducció magnètica, és una magnitud vectorial que equival a la força puntual que el camp exerceix sobre la unitat de massa magnètica en aquell punt, i es proporcional al nombre de línies de força per unitat de superfície.

 

La inducció magnètica és representa per la lletra B i la seva unitat fonamental és el Tesla (T)

 

El Tesla, és una unitat molt gran. Així tenim que la inducció del camp magnètic terrestre és de l'ordre de 10-5 T, la dels imants permanents de 10-2 T i amb electoimants molt potents podem crear camps superiors a 30 T.

 

El flux magnètic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PART PRÀCTICA: Camp magnètic creat per una bobina

 

A la classe de tecnologia industrial, per grups vam construir un motor elèctric.

Primer vam crear una bobina amb coure. Un cop creada, la vam aguantar en una cartolina amb dos clips de paper. Tot seguit vam connectar la bobina a una font d'alimentació.  Per tal de que funciones adequadament, vam tenir que treure una part del vernís que recobria al cable de cada extrem de la bobina.  

 

            Esquema:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MÀQUINES ELÈCTRIQUES

 

 

Podem classificar les màquines elèctriques en 3 grans grups:

 

•  Generadors: Són màquines que transformen l'energia mecànica en energia elèctrica.

•  Motors: Són màquines que transformen l'energia elèctrica en mecànica.

•  Transformadors: Modifiquen els valors de la tensió per poder facilitar el transport i la utilització de l'energia elèctrica.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Des del punt de vista del seu funcionament mecànic, podem classificar les màquines elèctriques en 2 grans grups:

 

•  Màquines rotatives: Màquines que tenen una part que gira sobre si mateixa: generadors i motors.

•  Màquines estàtiques: Màquines sense parts mòbils: transformadors. 

 

Constructivament, la gran majoria de les màquines elèctriques disposen d'un circuit magnètic heterogeni i dos circuits elèctrics: el d'excitació o inductor que  crea el camp magnètic principal i el de l'induït, que està sotmès al camp magnètic creat per l'inductor.

 

Pèrdues d'energia a les màquines elèctriques

 

Les màquines elèctriques es caracteritzen per tenir rendiments elevats al voltant del 90% i en el cas dels transformadors que són màquines estàtiques poden ser superiors al 99%.

 

• Les pèrdues magnètiques, anomenades pèrdues en el ferro, es produeixen en el circuit magnètic, a causa del cicle d'histèresi i dels corrents de Foucault.

•  Les pèrdues elèctriques o pèrdues en el coure es produeixen en els circuits elèctrics i en les seves connexions, a causa de l'efecte Joule.

•  Les pèrdues mecàniques, són provocades principalment pels fregaments (de l'eix amb els coixinets i, si s'escau, amb les escombretes) i per la ventilació interior dels bobinats.

 

Potència i règim de funcionament d'una màquina elèctrica

 

En una màquina elèctrica parlem de diferents tipus de potències:

 

• Potència absorbida o consumida: En el cas dels generadors és la potència que la màquina motriu proporciona al generador pel seu funcionament. En el cas dels motors i transformadors, és la potència que la xarxa elèctrica subministra a la màquina pel seu funcionament.

 

•  Potència perduda: és la potència provocada per les pèrdues d'energia. En els transformadors hi ha pèrdues magnètiques i elèctriques, en el cas de les màquines rotatives cal afegir-hi les mecàniques.

 

•  Potència útil: És la que subministra la màquina. La potència útil pot ser molt variable, en el cas dels generadors i transformadors és la que subministren a la xarxa i per tant en funció del corrent requerit, la potència útil canvia. En el cas dels motors és la que subministren als mecanismes que porten associats, en aquest cas la potència varia en funció del parell resistent que han de vèncer. De tots els valors de potència útil ni ha un de característic que és la potència nominal.

 

• Potència nominal: És la màxima potència útil que pot proporcionar la màquina de manera permanent sense que l'escalfament depassi el valor límit a partir del qual es poden deteriorar els seus aïllaments.

 

Els generadors elèctrics

 

Els generadors converteixen l'energia mecànica que reben per l'eix del rotor en energia elèctrica que subministren a la xarxa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Principi de funcionament

 

El principi de funcionament es fonamenta en el fenomen d'inducció electromagnètica: Tot conductor que es mou dins d'un camp magnètic tallant línies de força, genera una força electromotriu induïda als seus extrems.

 

Si substituïm els anells de connexió per dos semicilindres, aïllats elèctricament que giren solidaris amb l'espira, de manera que en canviar el sentit de la fem induïda també canvien els semicilindres d'escombreta, en el circuit exterior obtenim un corrent polsant que sempre té el mateix sentit.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Constitució de la dinamo

 

L'estator és el conjunt d'elements que constitueixen l'estructura sobre la qual se sustenten els diferents òrgans de la màquina. Conté el sistema inductor encarregat de produir el camp magnètic, està format pels pols inductors i el bobinatge inductor.

Els pols inductors estan dissenyats per repartir el camp magnètic uniformement. El nombre de pols ha de ser parell i les màquines s'anomenen bipolars si tenen 2 pols i tetrapolars si en tenen 4, hexapolars si en tenen 6 ...

 

El rotor és la part giratòria de la màquina, que en estar sotmesa a la variació del flux engendra la fem, per tant conté el sistema induït. Està format pel nucli de l'induït, el bobinatge de l'induït, el col·lector, les escombretes i els coixinets.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Els alternadors

 

Els alternadors són generadors de corrent altern, els generadors industrials, sovint són trifàsics.

La majoria d'alternadors, són màquines de corrent alterna síncrones, que són les màquines que giren a la velocitat de sincronisme, velocitat que està relacionada amb el nombre de pols de la màquina i la freqüència de la fem generada per l'equació següent:

 

 

 

 

 

 

 

 

Constitució de l'alternador

 

Estator: Part fixa de la màquina formada per una carcassa metàl·lica que serveix de suport als diferents òrgans i constitueix l'estructura de la màquina . Al seu interior s'hi fixa el nucli de l'induït, format per un paquet de xapes magnètiques, en forma de corona i amb ranures longitudinals, on s'allotgen els conductors de l'enrotllament induït.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rotor o part mòbil conté el sistema inductor i els anells de fregament, solidaris a l'eix de la màquina mitjançant els quals s'alimenta el sistema inductor. Depenent de la velocitat de la màquina motriu que l'arrossega el rotor té dues formes constructives característiques: rotor de pols sortints o rotor de pols llisos.

 

• Rotor de pols sortints: S'utilitzen en els alternadors multipolars accionats per turbines hidràuliques o per motors tèrmics, que són màquines amb una velocitat relativament lenta.

 

• Rotor de pols llisos: són utilitzats en màquines de 2,4 i 6 pols que giren a 3000, 1500 i 1000 min-1 respectivament, accionades per turbines de vapor i de gas. Els conductors de l'inductor es col·loquen a les ranures longitudinals mecanitzades al rotor.

 

Els alternadors necessiten una font de CC per alimentar l'inductor, aquesta font de CC pot ser exterior o bé cal rectificar el corrent obtingut. Antigament, en el mateix eix de l'alternador s'hi acoblava un generador de CC (l'excitatriu) d'on s'obtenia el corrent de CC per alimentar l'inductor a través  dels anells de fregament. En els alternadors de gran potència més moderns, s'ha eliminat les escombretes i els anells, en fer la funció d'excitatriu, un generador trifàsic d'induït mòbil en que el corrent altern que genera es rectifica amb díode muntats directament al l'eix.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

El motor de corrent continu

 

Un motor és un convertidor electromecànic que transforma l'energia elèctrica que rep a través dels seus borns en energia mecànica que subministra a través de l'eix del motor.

 

Principi de funcionament del motor de corrent continu.

Acció d'un camp magnètic sobre una espira rectangular

 

Si disposem d'una espira rectangular dins d'un camp magnètic, de manera que pugui girar lliurement sobre un eix perpendicular al camp, en fer-hi circular un corrent, l'espira queda sotmesa a un parell de forces com les de la figura.

 

El motor de corrent continu té la mateixa constitució que la dinamo de manera que els extrems de l'espira van connectats a dos semicilindres, aïllats elèctricament que giren solidaris amb l'espira. A partir d'aquí podem comprovar com el sentit de la força que apareix en els costats actius de l'espira, manté sempre el sentit de gir de la mateixa, encara que canvii de posició relativa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sentit de gir:
Determinen el sentit de gir a partir de la llei de la mà esquerra. Es pot invertir el sentit de gir canviant el sentit de gir a l'induït o bé a l'inductor. Si els canvis de gir formen part del procés de funcionament del motor, s'ha d'invertir el sentit de gir de corrent a l'induït, en tenir l'inductor un coeficient d'autoinducció elevat i els canvis de corrent bruscos hi generen fem autoinduïdes elevades.