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Curso Básico de Electrónica - Lección 6 - Magnetismo Y Electromagnetismo (CUR006S)

En esta lección vamos a profundizar en el conocimiento de componentes que aprovechan los efectos magnéticos de la corriente eléctrica y campos magnéticos. Estos componentes forman una gran familia, de importancia fundamental para la electrónica y que, por su naturaleza, requieren un especial cuidado de los profesionales que van a trabajar con ellos.

 

IMANES PERMANENTES

Una carga eléctrica en movimiento produce una perturbación en el espacio de la naturaleza diferente de la producida por una carga de pie (estática). Una carga en movimiento produce un campo magnético.

El estudio de los efectos de las cargas y los campos que producen es hecho por la rama de la física llamado "magnetismo".

Tenemos dos especies básicas de los campos magnéticos asociados con las aplicaciones en electrónica. El primero es el campo producido cuando electrones girando alrededor de los átomos se orientan de tal manera que realizan un movimiento de forma organizada.

El campo que produce en el material se manifiesta y polos magnéticos en este cuerpo surgen, y ello se convierte en un imán permanente, como podemos ver en la figura 133.

 

 

Figura 133 - los polos de un imán
Figura 133 - los polos de un imán

 

 

Los Polos Norte (N) y Sur (S) de un imán son inseparables, porque cuando corta en el medio, nuevos polos surgen así que siempre se tiene un imán completo. En la figura 134 podemos observar esta propiedad importante de los imanes.

 

 

Figura 134 - corte un imán, siempre aparecen nuevos polos
Figura 134 - corte un imán, siempre aparecen nuevos polos

 

 

Representamos el campo magnético de un imán a través de "líneas de fuerza". Estas líneas imaginarias son siempre cerradas, dejan los polos norte de los imanes y llegan al Polo Sur, como puede verse en la figura 135.

 

Figura 135 - Los polos de un imán y el campo magnético representado por líneas de fuerza.
Figura 135 - Los polos de un imán y el campo magnético representado por líneas de fuerza.

 

 

Tenga en cuenta que las líneas de fuerza del campo magnético nunca se cruzan y siempre se concentran más donde en el campo es más intenso, o sea, donde las fuerzas de atracción son más fuertes.

Otra propiedad muy importante de los imanes, que siempre hay que recordar, es la que dice que repelen los polos de mismo nombre, y polos de nombres opuestos atraen, como se muestra en la figura 136.

 

Figura 136 – Polos de mismo nombre se repelen y los opuestos se atraen
Figura 136 – Polos de mismo nombre se repelen y los opuestos se atraen

 

 

Los imanes permanentes pueden ser naturales, como la magnetita que es un mineral que ya se encuentra magnetizado, como también se puede obtener de ciertos materiales sometidos a campos magnéticos fuertes, que conservan estos campos, convirtiéndose en imanes permanentes.

Existen varios tipos de materiales que pueden ser magnetizados, resultando en imanes permanentes con amplias aplicaciones en la electrónica. El Alnico es una aleación utilizada en la fabricación de imanes.

 

Materiales Diamagnéticos, Paramagnéticos y ferromagnéticos

Cuando los materiales se colocan en un campo magnético surgen fuerzas que afectan el movimiento de sus electrones. Estas fuerzas se deben a lo que se llama la ley de la inducción magnética, formulada por Faraday. Según la naturaleza del material, reaccionan diferentemente a la presencia de un campo magnético.

Esta reacción depende de la forma en que los electrones giran en torno a los átomos. En física al electrón se asocia un movimiento llamado spin. No podemos decir que es una rotación, porque como hemos visto no podemos decir que el electrón tiene una forma esférica. Pero, para distinguir este movimiento, podemos decir que los electrones pueden tener giros o rotaciones en direcciones opuestas, sólo con el propósito de entender el fenómeno.

En la mayoría de los átomos electrones giran alrededor del núcleo en pares. Si los electrones de estos pares tienen direcciones opuestas, los campos magnéticos que producen si cancelan, como se muestra en la figura 137.

 

Figura 137- Los movimientos de los electrones ocurren de dos maneras, llamados spins. Si los movimientos son en direcciones opuestas los campos son cancelados
Figura 137- Los movimientos de los electrones ocurren de dos maneras, llamados spins. Si los movimientos son en direcciones opuestas los campos son cancelados

 

 

Por otro lado, si los electrones no están emparejados, aparece un campo magnético que reacciona con los campos externos. Esto nos permite clasificar los materiales en tres grupos en cuanto a sus propiedades magnéticas:

 

Diamagnéticos - son los materiales que tienen una susceptibilidad magnética negativa. Estos materiales no mantienen el campo magnético cuando se somete a la acción de un imán que luego se quita. Cobre, oro y la plata son ejemplos de materiales diamagnéticos. Como dispersan las líneas de fuerza de un campo magnético, lo debilitando se utilizan en blindajes magnéticos, como se muestra en la figura 138.

 

 

Figura 138 – Materiales diamagnéticos  dispersan las líneas de campo. 
Figura 138 – Materiales diamagnéticos dispersan las líneas de campo. 

 

 

 

Paramagnético - estos materiales tienen una susceptibilidad magnética positiva pequeña. Esto significa que ellos concentran las líneas de fuerza de un campo magnético y, por esta razón, son atraídos por los imanes. Sin embargo, no conservan las propiedades magnéticas cuando se quita el imán. Ejemplos de materiales ferromagnéticos son tantalio, magnesio y litio. En la figura 139 mostrar lo que sucede.

 

Figura 139 – Los materiales paramagnéticos concentran las líneas de fuerza del campo magnético
Figura 139 – Los materiales paramagnéticos concentran las líneas de fuerza del campo magnético

 

 

Ferromagnéticos- materiales ferromagnéticos tienen una alta susceptibilidad magnética siendo fuertemente atraídos por los imanes y pueden todavía ser capaces de conservar las propiedades magnéticas, incluso después de retirar el campo, es decir, son objetos magnetizables. Estos materiales deben sus propiedades de dominios magnéticos. Los dominios son regiones formadas por un gran número de átomos que tienen sus electrones alineados, como se muestra en la figura 140.

 

Figura 140 – dominios en un material desmagnetizados
Figura 140 – dominios en un material desmagnetizados

 

 

Cuando el material es desmagnetizado, las áreas se orientan aleatoriamente en el material para que sus campos magnéticos se cancelen. Cuando se aplica una fuerza magnética, los dominios se alinean y se crea un fuerte campo magnético dentro del material. En algunos casos el material retiene la orientación, lo que resulta en un imán y en otros los dominios si desorientan otra vez cuando se quita el campo, ocurriendo la des magnetización.

Hierro, níquel y cobalto son algunos materiales que caen en este grupo. En la figura 141 mostramos un clavo de hierro (material paramagnético) que magnetiza cuando toca en un imán, lo que lo transforma en un imán capaz de atraer limaduras de hierro, pero pierde esta propiedad cuando se quita el imán.

 

Figura141 – un clavo si magnetiza cuando en contacto con un imán
Figura141 – un clavo si magnetiza cuando en contacto con un imán

 

 

Punto Curie Cuando un material puede mantener la orientación de sus campos magnéticos ello se convierte en un imán. Esto puede hacerse a través de diversos procesos, dando lugar a los imanes artificiales. Sin embargo, los dominios pueden desorientar otra vez si se calienta el material. La temperatura en la cual el material deja de retener el magnetismo y por lo tanto pierde el imantada se llama el punto Curie.

 

la inducción y la inductancia

Como hemos estudiado en lecciones anteriores, también podemos producir campos magnéticos haciendo circular una corriente por un hilo o componentes en forma de bobinas, como el lector puede ver en la figura 142.

 

Figura campo 142 - magnético de una bobina cilíndrica o solenoide
Figura campo 142 - magnético de una bobina cilíndrica o solenoide

 

 

También puede observarse un fenómeno inverso. Si ponemos un imán que se mueve alrededor de un alambre para que las líneas de fuerza del campo magnético corten el hilo como se muestra en el 143 (a), o si el alambre se mueve en relación al campo magnético con el fin de cortar sus líneas de energía, como se muestra en la misma figura en (b). Con esto, en los extremos del alambre aparece una tensión y si este cable está conectado a un circuito externo, circula una corriente que enciende la lámpara.

 

 

  Figura 143 -  Inducción electromagnética
Figura 143 - Inducción electromagnética

 

 

Este fenómeno se llama inducción electromagnética siendo aprovechado en numerosas aplicaciones en electricidad y electrónica.

El sentido del movimiento de la corriente que será inducido cuando el depende del movimiento relativo del conductor en el campo. Puede encontrar más información acerca de cómo determinar este sentido en los libros de la física.

Tenemos muchos diferentes tipos de componentes y dispositivos que utilizan bobinas para crear campos magnéticos para múltiples propósitos. Uno de ellos es el electroimán que ya enseñan al lector a montar en los artículos de nuestro sitio, pero hay muchos otros. Veamos algunos de ellos:

 

Bobinas o inductores

En la práctica, podemos destacar un primer componente que se hace con hilo enrollado mostrando propiedades adicionales más allá de simplemente crear un campo magnético cuando atravesado por una corriente. Este tipo de componente se denomina inductor.

Para concentrar el campo magnético o darle propiedades adicionales, en lugar de simplemente enrollar el carrete sin núcleo (o núcleos), podemos poner dentro de núcleos de distintos tipos de materiales con propiedades magnéticas importante.

En la figura 144 tenemos los símbolos para representar las bobinas o inductores (incluyendo el tipo con núcleo) y aspectos como los que se encuentran en muchos productos electrónicos.

 

 

Figura 144 bobinas o inductores – símbolos y aspectos
Figura 144 - bobinas o inductores – símbolos y aspectos

 

 Las bobinas o inductores presentan propiedades eléctricas, relacionados principalmente con variaciones rápidas de la corriente.

Estas propiedades resultan en lo que llamamos inductancia.

 

Medida de la inductancia

La inductancia de una bobina se mide en una unidad llamada Henry (H). En este caso también es común utilizar sus submúltiplos: el mili Henry (mH) vale la milésima parte del Henry y Micro Henry (uH) que equivale a un millonésimo de Henry.

Las bobinas de pocas vueltas, sin núcleo o con núcleos de ferrita (que aumentan su inductancia) se utilizan en circuitos de alta frecuencia o que trabajan con variaciones muy rápidas.

Bobinas de muchas vueltas ya, choques de filtro, por ejemplo, que pueden tener núcleos de ferrita o incluso laminado de hierro trabajan con corrientes de baja y media frecuencia.

Las bobinas son componentes importantes de dispositivos electrónicos en general y pueden encontrarse en distintas funciones. Uno de ellos es «filtrar» las variaciones muy rápidas de la corriente que podría afectar el funcionamiento de ciertas partes críticas. Los filtros de línea y algunos otros tipos de filtros hacen uso de esta propiedad de bobinas y su funcionamiento quedará claro como profundizamos en su estudio.

 

Asociación de inductores

De la misma manera que los capacitores y resistores, los inductores también pueden ser conectados en serie y en paralelo. Cuando esto ocurre, sus efectos se combinan y tienen una "inductancia equivalente" que puede ser calculada sobre la base de las inductancias asociadas. Tenemos dos casos de asociaciones a tener en cuenta:

 

Asociación Serie de inductores

En la figura 145 se puede ver una asociación de inductores en serie.

 

 

Figura 145 - inductores en serie
Figura 145 - inductores en serie

 

 

La inductancia equivalente viene dada por la suma de las inductancias asociadas según la siguiente fórmula:

 

L = L1 + L2 + L3 + ....... + Ln (f6.1)

 

Donde:

L es la inductancia equivalente (*)

L1, L2, L3, Ln son las inductancias asociadas (*)

 

(*)La unidad debe ser la misma para todas las inductancias (asociadas y equivalentes). Así, podemos trabajar con Henry, mili Henry o micro Henry.

 

Asociación Paralelo de Inductores

En la figura 146 podemos ver una asociación de inductores en paralelo.

 

 

Figura 146-inductores en paralelo
Figura 146-inductores en paralelo

 

 

La inductancia equivalente puede calcularse de la siguiente fórmula:

 

1/L = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + ......... + 1/Ln

 

 

Donde:

L es la inductancia equivalente (*)

L1, L2. L3, Ln son las inductancias asociadas (*)

 

(*) La unidad debe ser la misma para todas las inductancias (asociadas y equivalentes). Así, podemos trabajar con Henry, mili Henry o micro Henry.

 

Circuitos LR

Una bobina (Inductor) y un resistor que conectan en serie, como se muestra en la figura 147, forma un circuito LR.

 

 

Figura 147 - Circuito en serie LR
Figura 147 - Circuito en serie LR

 

 

Suponiendo inicialmente que este circuito la clave S1 se encuentra abierta, la corriente será nula. No habrá ningún campo magnético creado por el inductor. El instante en que el interruptor está cerrado, la corriente comienza a circular por el resistor e inductor de donde va a crear un campo magnético.

Sin embargo, el campo magnético que la corriente tiende a crear tiene líneas de fuerza que se expanden y cortan las bobinas del inductor de sí mismo con el fin de inducir una corriente que se opone a que se estableció, como el lector puede ver en la figura 148.

 

Figura 148-campo y corriente en la serie de LR del circuito inductor
Figura 148-campo y corriente en la serie de LR del circuito inductor

 

 

El resultado de esto es que inicialmente el corriente del inductor encuentra una fuerte oposición, es decir, encuentra una fuerte resistencia que disminuye considerablemente su intensidad.

 

Al hacer un gráfico para mostrar lo que ocurre, vemos que el momento que clave (S1) cierra la corriente es prácticamente nula.

Sólo como a medida que líneas del campo magnético creado por la bobina se expanden su oposición a la corriente disminuye y la intensidad de la corriente aumentar. Como en el caso del capacitor, tenemos para la corriente una curva de crecimiento exponencial como se muestra en la figura 149.

 

 

Figura 149-circuito LR actual serie
Figura 149- Circuito LR actual serie

 

 

También en este caso, teóricamente la corriente nunca llega al máximo que es el valor dado por la resistencia. La constante de tiempo del circuito se obtiene cuando se multiplica el valor de la inductancia del inductor en Henry (H) por el valor de la resistencia en ohmios (W).

 

t = L x R

 

Este valor numérico nos dice, después de cuánto tiempo desde el momento en que cerramos la llave la corriente llega a 63% del valor máximo.

Además, de un circuito en el cual la corriente es máxima en el inductor y momentáneamente se conmute, como se muestra en la figura 149, la constante de tiempo RL también nos da una información importante.

Con la interrupción de la corriente, la contracción de las líneas de campo magnético induce una corriente que circulará a través del resistor disipando energía en el circuito en forma de calor.

La corriente inducida es alta al principio y poco a poco cae, obteniendo así un gráfico como se muestra en la figura150

 

 

Figura 150 - Circuito de descarga de  un inductor
Figura 150 - Circuito de descarga de un inductor

 

 

En este gráfico el punto corresponde al producto L x R da nos el momento cuando la corriente cae a 37% del valor máximo. Es la constante de tiempo LR del circuito.

En aplicaciones prácticas, dada la dificultad de obtener inductores de valores altos (que no ocurre con los capacitores), circuitos RL no se utilizan lo contrario en casos que requieren tiempos de retardo muy pequeño para aplicaciones de sincronización o de otras.

Hasta unos milihenrys (mH), la obtención de un inductor es problemática, ya que estos componentes empiezan a ser voluminosos, caros y pesados.

Los cables y pistas de cobre que llevan las corrientes en placas de circuito impreso de dispositivos electrónicos se comportan como inductores. Tanto mayor su valor cuanto más longas son estas pistas y más curvas tienen.

Esto significa que, de la misma manera como capacitancias las indeseables de los circuitos, cables y pistas de cobre presentan cierta inductancia que pueden limitar la velocidad de operación de los circuitos. Estos factores también son muy importantes al conectar dos dispositivos a través de un cable, por ejemplo, la computadora a una impresora; un sensor y un control industrial, un circuito de disparo remoto, etc.

El hecho del cabo presentara capacitancias y inductancias indebidas (por menores que sean), evita que funcione más allá de una cierta longitud. Inductancias y capacitancias, impiden que las señales se transmitan sin la deformación de un punto a otro de los circuitos.

 

Solenoides, relés y motores

Hay varios tipos de dispositivos y componentes que utilizan bobinas y que, por lo tanto, operan desde los campos magnéticos creados por corrientes eléctricas y disponen de una cierta inductancia. Esta inductancia, en particular, es muy importante para los efectos que producen que requiere cuidado en el diseño de los circuitos que controlan, como los estudiantes entenderán mejor durante este curso. Antes de eso, será importante saber cómo funcionan algunos de los principales dispositivos formados por bobinas.

 

Solenoides

Cuando se enrolla una bobina de forma cilíndrica obtenemos lo que se llama un solenoide. Una circulación de corriente en esta bobina produce un campo magnético que es más intenso dentro, ya que estudio y se muestra en la figura 151.

 

Figura 151- Un solenoide
Figura 151- Un solenoide

 

 

Un núcleo de material ferroso colocado en las cercanías de esta bobina se atrajo a su interior con una fuerza que depende sólo de la intensidad del campo creado.

Podemos fabricar un dispositivo, muy útil en aplicaciones industriales y muchas otras, llamado solenoide que precisamente crea una fuerza a partir de una corriente eléctrica. En la figura 152 se observa alguno de estos dispositivos con su construcción básica.

 

 

Figura 152 – Solenoides comunes
Figura 152 – Solenoides comunes

 

 

Cuando se aplica una tensión en la bobina, circula una corriente fuerte tirando el émbolo o núcleo para su interior con fuerza. Podemos utilizar esta fuerza para tirar o empujar algo como, por ejemplo, en una cerradura eléctrica, como podemos ver en la figura 153.

 

Figura 153 -  Solenoide de cerradura eléctrica
Figura 153 -  Solenoide de cerradura eléctrica

 

 

Cuando se energiza la bobina, el núcleo se tira y se abre la puerta.

Otra aplicación para este dispositivo se encuentra en lavadoras y muchos otros automatismos de uso en el hogar e industriales trabajando con líquidos: la válvula solenoide. Una de estas válvulas se muestra en la figura 154.

 

 

Figura 154 -Válvula de solenoide de para uso doméstico
Figura 154 -Válvula de solenoide de para uso doméstico

 

 

Cuando se energiza la válvula, el fuerte campo creado tira de un émbolo que libera el flujo de agua.

 

Relés

Otro tipo de dispositivo electromagnético de gran utilidad es el relé. El relé es un interruptor electromecánico, es decir, un interruptor que tiene partes móviles, sino que es alimentado por una corriente eléctrica.

En la figura155 podemos observar la construcción simplificada de un relé.

 

 

Figura 155 - estructura de un relé
Figura 155 - estructura de un relé

 

 

Cuando se aplica una tensión en la bobina del relé, energizándolo, el fuerte campo magnético creado atrae a la armadura donde están atrapados los contactos móviles. Los contactos, se mueven, tocando en la parte fija, cerrando así el circuito externo. Cuando la tensión en la bobina es cortada, desaparece el campo y los contactos vuelven a la posición normal, manteniendo el circuito abierto.

Los relés pueden tener varios juegos de contactos, como podemos ver en la figura 156, donde utilizamos sus símbolos.

 

 

   Figura 156 - relés con diferentes conjuntos de contactos
Figura 156 - relés con diferentes conjuntos de contactos

 

 

Por lo tanto, un relé con contactos NA (normally open – NO) enciende o conecta algo cuando lo energiza . Ya, un relé con contacto NC (normally closed - NC) apaga o desconecta algo apagado cuando energizado.

Hay relés que combinan ambos tipos de contactos y relés que tienen diferentes conjuntos de contactos, operando como llaves de varios tipos.

Los relés son especificados por la tensión que debemos aplicar en su bobina para que se energicen, la corriente en esta bobina y la corriente máxima que pueden controlar los contactos. Relés de 5, 6, 12 y 24 V son los más utilizados en aplicaciones electrónicas.

 

Relés de estado sólido Muchos componentes "tradicionales" pueden ya encontrarse en forma de semiconductores, es decir, componentes de estado sólido, sin partes móviles. Así, en muchas aplicaciones es común encontrar relés muy pequeña, sin partes móviles y que se basan en circuitos semiconductores tales como transistores. Estos componentes tienen ventajas como no sufren desgaste y tiene una sensibilidad muy grande, pero no todas las aplicaciones que admiten su uso. En la figura A tenemos un relé de estado sólido.

 

 

Figura A - Relé de estado sólido
Figura A - Relé de estado sólido

 

 

Motores

Motores eléctricos convierten energía eléctrica en energía mecánica (movimiento). Los motores de corriente directa CC o DC (corriente directa), como también se les llama, son dispositivos que funcionan mediante el aprovechamiento de las fuerzas de atracción y repulsión generadas por electroimanes e imanes permanentes.

Como sabemos, si al pasar corrientes eléctricas por dos bobinas a continuación, como se muestra en la figura 157, los campos magnéticos creados pueden crear fuerzas de atracción o repulsión.

 

Figura 157 -  las fuerzas entre imanes y bobinas
Figura 157 - las fuerzas entre imanes y bobinas

 

 

La idea básica de un motor es montar una bobina entre los polos de un imán permanente o de una bobina fija que funciona como tal, como se muestra en la figura 158.

 

 

Figura 158 - estructura de un motor DC
Figura 158 - estructura de un motor DC

 

 

Saliendo de la posición inicial, donde se alinean los polos de la bobina (rotor), al se pasar una corriente, con el imán permanente ocurre la manifestación de una fuerza de repulsión. Esta fuerza repulsiva hace el cambio de posición del sistema móvil, como se muestra en la figura 159.

 

Figura 159 – con la repulsión el rotor viene en movimiento
Figura 159 – con la repulsión el rotor viene en movimiento

 

 

La tendencia del rotor es dar media vuelta para que el polo norte se aproxime del polo sur del imán permanente. Del mismo modo, su polo sur se aproximará del polo norte por el cual será atraído.

Sin embargo, en el rotor del eje, a través del cual la corriente que fluye a través de la bobina, hay un conmutador. El propósito de este interruptor es invertir el sentido de circulación de la corriente en la bobina, provocando el cambio de los polos. Ver figura 160.

 

Figura 160 – con la inversión de los polos de la polaridad del cambio de rotor
Figura 160 – con la inversión de los polos de la polaridad del cambio de rotor

 

 

El resultado será una transformación de la fuerza de atracción en repulsión, que hará que el rotor seguir su movimiento, pasando por "derecho" por la posición que sería de equilibrio.

Su nueva posición de equilibrio se lograría con más media vuelta, para que los de polos del rotor si acercasen de los polos del imán con el nombre opuesto.

Más media vuelta cuando produciría la nueva posición eso hace que el interruptor entre en acción nuevamente y tenemos nueva conmutación de la corriente. Con eso los polos si invierten como se muestra en la figura 161.

 

 

Figura 161 – nueva inversión de la polaridad y el movimiento continúa
Figura 161 – nueva inversión de la polaridad y el movimiento continúa

 

 

Como resultado, el rotor debe continuar en busca de su posición de equilibrio.

Por supuesto esto nunca va a ocurrir y el no se detendrá mientras haya corriente circulando por la bobina del rotor.

La velocidad de rotación de este tipo de motor depende apenas la fuerza que el rotor tiene que hacer para girar. De esta manera, pequeños motores de DC tienen una velocidad mucho mayor cuando giran libremente que cuando giran, haciendo algún tipo de esfuerzo (moviendo algo).

Además, la corriente requerida por el motor depende de la oposición que el rotor encuentra en su movimiento. Haciendo más fuerza, aumentar significativamente el consumo.

Los pequeños motores encontrados en muchas aplicaciones se especifican por la tensión y la corriente que exigen. En la figura 162 tenemos ejemplos de estos motores.

 

Figura 162 – pequeños motores de uso general
Figura 162 – pequeños motores de uso general

 

 

Sin embargo, hay otros tipos de motores que se utilizan en aplicaciones especiales tales como los motores sin escobillas y motores paso a paso que se dirigirá a su debido tiempo.

El principio de funcionamiento de estos motores, sin embargo, es el mismo: campos creados por las bobinas que interactúan para producir las fuerzas que los mueven.

 

Potencia de un motor He estudiado los motores, que como cualquier otro dispositivo no puede crear energía. Así, los motores convierten energía eléctrica en energía mecánica. La potencia de un motor es dada o por el número de watts (W) que se convierte en energía mecánica o en HP (Horse Power - caballos de fuerza-británicos) o CV (caballos vapor). Los motores pequeños usados en juguetes y otras aplicaciones electrónicas tienen potencias del orden de centésimas de HP, pero las máquinas industriales y hasta aparatos electrodomésticos potentes, lavadoras automáticas, pueden tener de 1 a más de 1000 HP. Convertir Watts en caballos de fuerza es necesario en muchos momentos de la actividad de los profesionales de la electrónica, especialmente aquellos que trabajan con motores en industrias, sistemas de automatización y mucho más.

 

Motores sin cepillos

Los cepillos son un problema para los motores, porque al pasar del tiempo y, además, son una fuente intensa de ruido. De hecho, afeitando los contactos del rotor, producen intensas chispas que generan frecuencias de radio (radio señales) capaces de producir interferencias en radios y otros equipos cercanos.

Una especie de motor de C.C. cada vez más en uso es el brushless o motor sin escobillas. Estos motores tienen varias bobinas que se alimentan de forma secuencial para producir un campo magnético giratorio, como se muestra en la figura 163.

 

 

 Figura 163 -  Motor de corriente continua sin escobillas
Figura 163 - Motor de corriente continua sin escobillas

 

 

Un sensor mide la velocidad del motor de modo a controlar las bobinas de accionamiento a través de un circuito electrónico. En este motor, el rotor utiliza dos imanes permanentes.

En la figura 164 tenemos un motor de este tipo es abierto.

 

 

Figura 164-escobillas abiertas
Figura 164-escobillas abiertas

 

 

 

Sensores magnéticos

Cuando las espiras de una bobina cortan líneas de fuerza de un campo magnético o cuando las líneas de fuerza de un campo magnético cortan las espiras de una bobina, una tensión aparece en los extremos de esta bobina, como podemos ver en la figura 165.

 

 

Figura 165 – el movimiento relativo de las espiras de una bobina y un campo magnético crean una tensión V
Figura 165 – el movimiento relativo de las espiras de una bobina y un campo magnético crean una tensión V

 

 

Este fenómeno dinámico, que requiere el movimiento relativo de la bobina y el campo puede ser utilizado en la construcción de varios tipos de sensores. El propósito de un sensor es detectar la presencia de algún tipo de cantidad física o un cambio químico en el ambiente. Consisten en la interconexión del mundo exterior con equipos electrónicos.

El más simple y más ampliamente usado en aplicaciones industriales es lo que hace uso de un imán unido a las partes móviles, por ejemplo, un equipo que puede utilizarse para medir la rotación de esta pieza, como se muestra en la figura 166.

 

 

Figura 166 - Sensor magnético de rotación
Figura 166 - Sensor magnético de rotación

 

 

Cada vez que el imán pasa en la bobina que se utiliza como sensor, se genera un impulso eléctrico para activar algún tipo de indicador.

Contando los impulsos, un circuito electrónico puede determinar la rotación de la pieza o la velocidad de un vehículo y también su control.

 

Micrófonos

Otro tipo de dispositivo que se basa en el mismo principio de funcionamiento de los sensores que vimos en el punto anterior es el micrófono dinámico.

Si usted mueve una bobina alrededor de un imán, como se muestra en la figura 167 y sostenemos esta bobina un diafragma (membrana flexible) tenemos un micrófono.

 

Figura 167 Micrófono magnético
Figura 167 Micrófono magnético

 

 

Cuando las ondas sonoras inciden en el diafragma vibrará causando que la bobina se mueva en relación al campo magnético creado por el imán permanente, que es fijo. Una tensión que tiene las mismas características del sonido aparece entonces en el terminal de la bobina. Esta corriente puede ser amplificada o transmitida a distancia a través de cables eléctricos.

 

 

Otros tipos de micrófonos Por supuesto, también hay micrófonos que se basan en otros principios. Uno de ellos es el "electret" estudiado en lecciones anteriores y que consiste en un material que tiene la carga eléctrica de sus superficies alteradas cuando deformado. Sosteniendo este material en un diafragma y conectando placas que pueden "recoger" estas cargas, nos podemos conectarlo a un amplificador. Porque son muy pequeños y sensibles micrófonos electro se encuentran en un gran número de aplicaciones.

 

Instrumentos

Un tipo de indicador que se está sustituyendo gradualmente en muchas aplicaciones por tipos de digitales es el instrumento indicador analógico o galvanómetro. Además de él hay otros que están cayendo en desuso.

Sin embargo, es muy importante conocer su principio de funcionamiento, lo que se hará a continuación.

 

El galvanómetro

En muchos equipos antiguos y algunos modernos, nos encontramos con un indicador que tiene un puntero que se mueve sobre una escala. Este instrumento es el galvanómetro de bobina móvil, cuya estructura básica se muestra en la figura 168.

 

Figura 168 -  El galvanómetro de bobina móvil
Figura 168 - El galvanómetro de bobina móvil

 

 

Cuando una corriente fluye por la bobina de este instrumento, se crea un campo magnético. Este campo interactúa con el campo del imán permanente que crea una fuerza que tiende a girar la bobina móvil.

La bobina tiene un sistema de resorte que tiende a mantenerla en la posición donde el puntero que está atrapado en él permanece en cero la escala. Así, el movimiento de la bobina y por lo tanto el desplazamiento de la aguja son proporcionales a la intensidad de corriente. Podemos utilizar este instrumento para medir o indicar las corrientes eléctricas.

Los galvanómetros comunes son muy sensibles y pueden medir corrientes cuyo valor máximo puede variar entre 50 uA y 1 mA. Decimos que la "fundo de escala" de estos instrumentos es de 50 uA o 1mA.

Definimos "corriente de fundo de escala" como la corriente hace la aguja del indicador ir para el valor máximo que puede medir.

Con características especiales pueden utilizar el galvanómetro para medir las corrientes de mayor escala e incluso otras magnitudes eléctricas como tensión. Eso es precisamente lo que haces en el caso de los multímetros analógicos.

Utilizando un galvanómetro común del tipo indicado, añadimos componentes al circuito que permitan medir otras magnitudes eléctricas, como las corrientes intensas, tensiones, resistencias, etc. En la figura 169 tenemos un multímetro común que hace uso de un galvanómetro de bobina móvil. En la misma figura tiene un tipo de amperímetro alicate que también hace uso de ese instrumento.

 

 

Figura 169 - Multímetro analógico y amperímetro
Figura 169 - Multímetro analógico y amperímetro "alicate"

 

 

Multímetros digitales

La tendencia de la electrónica moderna es evitar partes mecánicas que se desgastan y tienen problemas de diversa naturaleza como rotura, deformación, etc. Así, los multímetros, como otros instrumentos eléctricos y electrónicos, pueden también encontrarse en forma digital, es decir, con indicadores que muestran números en lugar de tener agujas que funcionan en una escala.

Aunque son muy importantes y prácticos, la posesión de un multímetro analógico tradicional sigue siendo muy importante para el profesional. (*)

 

(*) Recomendamos a los lectores interesados en conocer mejor el medidor y utilizarlo en todas sus aplicaciones para comprar el libro del mismo autor de este curso "cómo probar componentes" (Ahora en Portugués) en 4 volúmenes.

 

También notamos que viejas máquinas industriales todavía usan los mostradores de "puntero" en lugar de indicadores digitales para proporcionar información sobre su funcionamiento. Es por eso el lector debe estar familiarizado con su funcionamiento y uso.

 

Voltímetros y amperímetros

Como vimos en el artículo anterior, el galvanómetro puede utilizarse para medir corrientes muy débiles. Para medir corrientes más intensas y tensiones necesitamos añadir componentes que cambian sus características. Es precisamente los componentes que vamos a hablar en este artículo.

 

Amperímetros

Los instrumentos que se destinan a medidas de corrientes se denominan amperímetros. Para medir una corriente más intensa que el instrumento soporta, es decir, la corriente de fundo de escala, lo que hacemos es desviar la corriente excedente por un circuito externo que consiste en un resistor, como se muestra en la figura 170.

 

 

 Figura 170, un amperímetro con shunt
 Figura 170 - un amperímetro con shunt

 

 

Así que, como se puede ver en la figura 170, si queremos medir una corriente de 100 mA con un galvanómetro que tiene una escala de 1 mA, se desviarán el 99 mA excedente con una resistencia de derivación o, como es conocida, "shunt".

El cálculo de un shunt se realiza tanto sobre la corriente de fundo de la escala del instrumento (galvanómetro) utilizado, así como otras características del instrumento como su resistencia óhmica. De hecho, es la Resistencia óhmica que determina el comportamiento eléctrico del instrumento, por lo tanto, en su función es calcular la resistencia de desviación.

Por ejemplo, si el instrumento de fundo de escala de 1 mA tiene una resistencia de 198 ohms , nos hemos desviado 99% de la corriente para un shunt medir 100 mA es decir 99 mA, es obvio que el shunt debe tener una resistencia que se calcula por una proporción simple:

 

X/198 = 1/99

X = 198/99

X = 2 ohms

 

Medidores de tensión – Voltímetros

El galvanómetro puede utilizarse también para medir tensiones. De hecho, si disponemos de un galvanómetro de 0-1 mA (escala1mA de fundo de escala o 0, 001 A) y una resistencia de la bobina de 1000 ohms, es fácil ver que cuando aplicamos 1 V en este instrumento, la corriente será a fundo escala completa de 1 mA. Para este cálculo aplicamos ley de Ohm:

 

I = 1/1 000

I = 0,001 A (1 mA)

 

Eso significa un galvanómetro, como se indica, puede utilizarse directamente como un voltímetro de 0 a 1 V, o sea, 1 V de fundo de escala, como el cálculo que dimos como ejemplo.

Sin embargo, si el mismo galvanómetro que tomamos como ejemplo queremos medir tensiones más altas, usted debe usar de artificios, como en el caso del amperímetro. Lo que hacemos, en este caso, es conectar e serie con el galvanómetro una resistencia llamada "multiplicadora", como se aprecia en la figura 171.

 

Figura 171 - voltímetro
Figura 171 - voltímetro

 

 

El cálculo de esta resistencia es simple: además de la resistencia interna del instrumento, para ser sometido a la tensión de fundo de escala (máximo voltaje a medir), el conjunto debe dejar pasar la corriente de fundo de escala del instrumento. Para este cálculo se puede escribir una fórmula sencilla:

 

Rm = Vm/Im - Ri (f6.1)

 

Donde:

Rm es la resistencia del multiplicador (en ohms)

Ri es la resistencia interna del instrumento utilizado (en ohms)

Vm es la tensión de fundo de escala que se desea medir (en voltios)

Im es la corriente de fundo escala del instrumento utilizado (en ampères)

 

 

Importante: los instrumentos medidores requieren precisión. Por lo tanto, cuando diseñamos los circuitos, los resistores a utilizarse deben tener tolerancias muy pequeñas.

 

 

Las lecciones de este curso son:

Lección 1 - Materia y energía, la naturaleza de la electricidad, la electricidad estática 

Lección 2 - Energía eléctrica, corriente y tensión, el circuito eléctrico 

Lección 3 - Resistencia eléctrica, resistores, Ley de Ohm, Ley de Joule 

Lección 4 - Tipos de generadores, rendimiento y ecuación del generador 

Lección 5 - Condensadores

Lección 6 - Magnetismo y electromagnetismo

Lección 7 - Corriente alterna

Lección 8 - Sonido y Acústica

Lección 9 - Ondas electromagnéticas

 

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