INTRODUCCIÓN      La revolución que está sufriendo el mundo en el campo tecnológico y que afectará sinduda toda la vida cu...
LA MAGNETOSTÁTICALa magnetostática es el estudio de todos los fenómenos físicos en los que intervienen camposmagnéticos co...
Las curvas de histéresis varían a medida que varía la temperatura, a medida que aumenta latemperatura la magnetización dis...
INDUCTORESLos inductores o bobinas son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar                        ...
• Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material no magnético (fibra,plástico.). En los casos donde n...
APLICACIONES DE UNA BOBINA- En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicionalque acom...
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La Magnetostática En El Campo De La Ingeniería Industrial

  1. 1. INTRODUCCIÓN La revolución que está sufriendo el mundo en el campo tecnológico y que afectará sinduda toda la vida cultural, política y social de lo que resta del siglo y del subsiguiente, esproducto en gran medida del avance de la física. Esto se ve de manera particular en eldesarrollo de la microelectrónica, la ingeniería y de otras áreas de alta tecnología que utilizanlos principios del electromagnetismo en el diseño de aparatos y sistemas de información,medición, etc. Asimismo, la creación de nuevos materiales y su aplicación se basa en granmedida en el conocimiento logrado en el electromagnetismo y la mecánica cuántica. Lasaplicaciones que se realizan son variadísimas y la ciencia del magnetismo se ha vuelto centralen nuestra tecnología como medio ideal de almacenamiento de datos en cintas magnéticas,discos magnéticos y burbujas magnéticas. Además, se empieza a aplicar en la medicina. Comoya lo mencionamos, el desarrollo de nuevos materiales y su aplicación a modernastecnologías es uno de los generadores que mueven a la sociedad posindustrial.A continuación presentaremos algunos de los usos del magnetismo en diversas áreas. Estadescripción no pretende cubrir todos los temas de aplicación del magnetismo. Sólo queremospresentar un panorama de las inmensas posibilidades que en este campo existen cuando laciencia, la tecnología y por supuesto la ingeniería se conjugan en forma imaginativa. Para estoexaminaremos el área de nuevas aplicaciones tecnológicas del magnetismo en área de laingeniería industrial al optimizar el control de la producción de bienes y servicios, teniendo encuenta los aspectos económicos, técnicos, sociales y tecnológicos.La importancia del magnetismo en esta rama de la ingeniería radica en la gran cantidad deproductos que se pueden generar para uso común y de grandes empresas con la correctaaplicación del magnetismo a los diversos procesos industriales y a la elaboración de losproductos como ejemplo muy simple podríamos citar el televisor, el teléfono, el láser, elcomputador, la fibra óptica, las antenas de telecomunicación y otros que nos ayudan acomunicarnos y modifican nuestra forma de comprender el mundo. ¿Qué tienen ellos encomún? Que en su estructura hay imanes. Las fuerzas características de los imanes sedenominan magnetismo. Que gracias al avance da la tecnología pude utilizarse también en lamedicina con la creación de una técnica novedosa la resonancia magnética.
  2. 2. LA MAGNETOSTÁTICALa magnetostática es el estudio de todos los fenómenos físicos en los que intervienen camposmagnéticos constantes en el tiempo.La magnetostática abarca desde la atracción que ejercen los imanes y los electroimanes sobrelos metales ferromagnéticos, como el hierro, hasta los campos magnéticos creados porcorrientes eléctricas estacionarias. De hecho ambos fenómenos están estrechamenterelacionados, ya que las corrientes eléctricas crean un campo magnético proporcional a laintensidad de corriente y que disminuye con la distancia.Además todo cuerpo que entra en un campo magnético toma una imantación que dependede su naturaleza, y que generalmente pierde al retirarse de ese campo; algunos acerosconservan parte del magnetismo inducido o magnetismo remanente.Hay cuerpos paramagnéticos que son atraídos por los imanes (hierro, níquel, cobalto, etc.), ycuerpos diamagnéticos, que son repelidos por ellos. TIPOS DE MAGNETISMOCuando los materiales se someten a un campo magnético puede haber 4 tipos de respuestas:Hay un tipo de materiales que cuando se someten a un campo, los dipolos se orientanproduciendo campos magnéticos negativos, contrarios al campo aplicado, esto se conocecomo DIAMAGNÉTISMO. Los valores de susceptibilidad de estos materiales es pequeña ynegativa y su permeabilidad próxima a la unidad.En los PARAMAGNÉTICOS, los momentos dipolares se orientan en dirección al campo, y tienepermeabilidades próximas a la unidad y su susceptibilidad es pequeña pero positiva. Esteefecto desaparece al dejar de aplicar el campo magnético.Ambos materiales no tienen un significado importante en ingeniería.Los materiales FERROMAGNÉTICOS se caracterizan por ser siempre metálicos, y su intensomagnetismo no es debido a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminadosegún se desee, los 3 materiales ferromagnéticos son el hierro, el cobalto y el níquel. La causade este magnetismo son los electrones desapareados de la capa 3d, que presentan estoselementos.Los materiales FERRIMAGNÉTICOS son cerámicos y su magnetización es significativa peromenor que en los ferromagnéticos, sus conductividades son bajas, lo que hace que seanaplicables en electrónica.La magnetización en los ferromagnéticos se debe a la curva de histéresis, que es la tendenciade un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la hagenerado. Una vez producida la magnetización se intenta eliminar el campo magnético, peropara valor de campo magnético cero el material sigue magnetizado, y para poderdesmagnetizarlo es necesaria la aplicación de un campo negativo o fuerza coercitiva.
  3. 3. Las curvas de histéresis varían a medida que varía la temperatura, a medida que aumenta latemperatura la magnetización disminuye, hasta llegar a la temperatura de Curie, en la que elmaterial deja de comportarse como ferromagnético y pasa a comportarse comoparamagnético.Los materiales ferromagnéticos llegan a un momento en que aunque se siga aplicando elcampo magnético no se magnetizan más y alcanza la inducción de saturación, y una vezretirado el campo no pierde toda la magnetización sino que la guarda en lo que se conocecomo inducción. PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALESPodemos considerar elementos magnéticos a aquellos elementos de la tabla periódica quetienen electrones desapareados, pero en realidad esto no sucede, ya que sólo existen 3elementos que se magnetizan al aplicarles un campo magnético, son el Hierro (Fe), Cobalto(Co), Níquel (Ni). El magnetismo es dipolar, es decir, existen dos polos magnéticos separadospor una determinada distancia.Las propiedades magnéticas, son las determinadas respuestas de un material al campomagnético.Se distinguen entre materiales magnéticos blandos y materiales magnéticos duros. Materiales Magnéticos blandos: Aquellos que se pueden desmagnetizar. Materiales Magnéticos duros: Aquellos que no se pueden desmagnetizar. MAGNITUDES MAGNÉTICASCampo magnético: Región del espacio en que se crea un estado magnético susceptible deconvertirse en fuerzas de atracción o repulsión de cuerpos magnéticos. Este campo se traduceen unas líneas de fuerza y dos polos de los que parten estas líneas (dipolar).Otra forma de generar campos magnéticos es haciendo pasar por una bobina una corriente.Si dentro de la bobina introducimos un material magnético, el campo magnético fuera delsolenoide es ahora más fuerte, ya que es la suma del campo del propio solenoide y el campomagnético externo del material introducido, esto se conoce como inducción magnética.La permeabilidad magnética de un material ferromagnético no es una constante, y cambiadependiendo de cómo se magnetice el material.Ya que la magnetización de un material magnético es proporcional al campo aplicado, sedefine un factor de proporcionalidad llamado susceptibilidad magnética .
  4. 4. INDUCTORESLos inductores o bobinas son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos magnéticos. Una aplicación de los inductores, consistente en bloquear (“choke” en inglés) las señales de AC de alta frecuencia en circuitos de radio, dio origen a que con dicho término (choque) se haga referencia a los inductores que se emplean en aplicaciones donde su valor no es crítico y que por lo tanto admiten grandes tolerancias.Las bobinas están construidas de un alambre de cierta longitud que está enrollado en formade hélice sobre un núcleo. Algunas veces incluyen también un carrete aislante intermediollamado formaleta que aloja el arrollamiento y lo separa eléctricamente del núcleo. Laoperación de las bobinas se basa en el principio de la teoría electromagnética, descubiertopor Hans Christian Oersted en 1819 y examinado más profundamente por André MarieAmpeére en 1820, según el cual, cuando circula una corriente a través de un alambre, ésteproduce a su alrededor un campo magnético.Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos dela corriente que circula por ellas.Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: serconectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), estaintentará mantener su condición anterior.Los inductores ideales no disipan energía como lo hacen los resistores. Pero en la práctica, elinductor real presenta una resistencia de devanado que disipa energía. A continuación figuraun modelo práctico (simplificado) de inductor.CLASIFICACIÓNSegún el núcleo o soporte:Según la forma constructiva:• Solenoides: • Toroides:Según la frecuencia de la corriente aplicada:• Alta frecuencia: de reducido tamaño y número de espiras • Baja frecuencia: de mayortamaño y número de espirasSegún el recubrimiento: Plástico, resina, metal (apantalladas).Según la característica de su valor: fijos y ajustables.Según el tipo de montaje: de inserción y SMD.
  5. 5. • Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material no magnético (fibra,plástico.). En los casos donde no se utiliza soporte, la bobina queda conformada sólo debido ala rigidez mecánica del conductor.• Núcleo de hierro: como tiene mayor permeabilidad que el aire (10 a 100), aumenta el valorde la inductancia. Sin embargo, sólo se emplea en bajas frecuencias porque a altasfrecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones: fuentes de alimentación y amplificadoresde audio.• Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos, de alta permeabilidad (10 a10000) que además son dieléctricos. Existe una gran variedad en el mercado en función de lafrecuencia de trabajo.CRITERIOS DE SELECCIÓNA continuación se enumeran las características técnicas que hay que tener en cuenta a lahora de seleccionar los inductores para determinada aplicación.• Valor inductivo• Tolerancia• Tamaño y requisitos de montaje• Margen de frecuencias o frecuencia central de trabajo• Capacidad parásita entre bornes: tiene influencia al trabajar en alta frecuencia porquepuede hacer que el inductor se comporte como un cortocircuito.• Resistencia de aislamiento entre espiras: si se supera el voltaje máximo entre terminales, seperfora el aislante del hilo conductor.• Corriente admisible por el hilo conductor• Q (factor de calidad o de mérito): se define como la relación entre la reactancia inductiva yla resistencia óhmica del inductor (Q=2*pi*f*L / R). Es deseable que la resistencia sea baja ypor ende que el Q sea alto. Según la fórmula, Q tendría que aumentar con la frecuencia, sinembargo no es así porque también aumenta la resistencia.Los fabricantes informan sobre el Q del inductor a la frecuencia de trabajo o bien presentancurvas de Q (f). Los Q de inductores para aplicaciones de radiofrecuencia oscilan entre 50 y200.• Coeficiente de temperatura
  6. 6. APLICACIONES DE UNA BOBINA- En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicionalque acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro.- En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes decorriente alterna y sólo obtener corriente continua en la salida. Tipo Formato Valores típicos Aplicaciones Solenoides: generales, filtros, núcleo de aire 1nH a 15mH convertidores DC/DC núcleo de ferrita Toroides 1uH a 30mH para filtrar transitorios Encapsulados o 0.1uH a 1mH osciladores y filtros moldeados Chips 1nH a 1mH aplicaciones generales osciladores y circuitos de RF como Ajustables 1nH a 7mH transmisores y receptores INDUCTANCIABobina o inductor que tiene la propiedad de oponerse a cualquier cambio en la corriente(corriente variante en el tiempo) que lo atraviesa.En las bobinas ocurre un fenómeno de oposición a las variaciones de la corriente eléctrica.En otras palabras, si la corriente en un circuito trata de subir o bajar y en ese circuito hay unabobina, ella se opone a que la corriente suba o baje.Este comportamiento es comparable a la inercia en un movimiento mecánico.
  7. 7. Si un cuerpo con determinado peso se está moviendo y tratamos de aumentar o rebajar suvelocidad, hay una fuerza que se opone a ese cambio, y que se llama inercia.La unidad de la inductancia es el henrio (henry) y se representa por la letra “L”.La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente. El valordepende de:- El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayorvalor en Henrios).- El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor enHenrios).- La longitud del cable de que está hecha la bobina.- El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.El valor de la inductancia viene determinado exclusivamente por las característicasgeométricas de la bobina y por la permeabilidad magnética del espacio donde se encuentra.La inductancia siempre es positiva, salvo en ciertos circuitos electrónicos especialmenteconcebidos para simular inductancias negativas. CIRCUITOS MAGNETICOSSe denomina circuito magnético a un dispositivo en el que las líneas de fuerza del campomagnético están canalizadas en un camino cerrado. Se basa en que los materialesferromagnéticos tienen una permeabilidad mucho más alta que el aire o el espacio y portanto el campo magnético tiende a quedarse dentro del material.Un circuito magnético sencillo es un anillo o toro de una material ferromagnético con unarrollamiento por el que circula una corriente. Esta última crea un flujo en el anillo cuyo valorviene dado por:Donde Φ es el flujo magnético, es la fuerza magnetomotriz, definida como el producto delnúmero de espiras N por la corriente I () y es la reluctancia.Los circuitos magnéticos son importantes en electrotecnia, pues son la base detransformadores, motores eléctricos, muchos interruptores automáticos, relés, etc.CLASES DE CIRCUITOS MAGNÉTICOSHomogéneos: una sola sustancia, sección uniforme y sometida a igual inducción en todo surecorrido.Heterogéneos: varias sustancias, distintas secciones o inducciones, o coincidencia de estascondiciones.
  8. 8. ALGUNAS APLICACIONES DEL MAGNETISMO o LA TECNOLOGÍA EN INFORMÁTICA BASADA EN EL MAGNETISMOLa tecnología de información magnética incluye tres campos: grabación magnética,grabación optomagnética y burbujas magnéticas.El almacenamiento de información vía grabación magnética se realiza en cintasmagnéticas, discos flexibles (floppy disks) y discos duros. Una cabeza de grabaciónconvencional consiste en un material magnético de alta permeabilidad alrededor del cualpasa una corriente por un alambre. El campo magnético en la brecha magnetiza el mediomagnético en dirección del campo. Cambiando la dirección de la corriente se puedenmagnetizar diferentes regiones del medio en direcciones opuestas y por tanto se tiene uncódigo de información binario. Para leer esta información se mueven la cabeza y el medioen relación una al otro y al interceptar la cabeza al campo magnético del medio segeneran pulsos eléctricos por la ley de Lenz. o GRABACIÓN OPTOMAGNÉTICAEn este sistema la lectura y grabación se hace con un rayo láser. El sistema esmecánicamente simple y la densidad de información está limitada por la longitud deonda del láser. Para grabar, un rayo de luz láser incide sobre una delgada películamagnética. El láser calienta una región y alinea su momento magnético con un campomagnético aplicado. Para leer la información se usa luz de menor intensidad que lautilizada para escribir. Cuando la luz pasa por el material, su plano de polarización giradebido al efecto Faraday. La dirección de rotación depende de la dirección demagnetización del material y de esta forma, usando un polarizador, uno puedetransformar rotaciones en direcciones distintas en diferencias de intensidad. o TECNOLOGÍA DE BURBUJAS MAGNÉTICASLas memorias de burbujas magnéticas pueden representarse como pequeños dominiosmóviles cuya polaridad es contraria a la de sus alrededores.La presencia o ausencia de una burbuja puede ser interpretada como un código binario.Estas memorias son ventajosas con respecto a otros sistemas de grabación en tiempos deacceso, costo y confiabilidad. Las memorias de burbuja son microestructuras, de cerca deuna micra, de una aleación níquel-hierro producidas litográficamente en películas degranate. o LA RESONANCIA MAGNETICALa resonancia magnética es el más reciente avance tecnológico de la medicina para el diagnóstico preciso de múltiples enfermedades, aún en etapas iniciales. Está constituido por un complejo conjunto de aparatos emisores de electromagnetismo, antenas receptoras de radio frecuencias y computadoras que analizan datos para producir imágenes
  9. 9. detalladas, de dos o tres dimensiones con un nivel de precisión nunca antes obtenido quepermite detectar, o descartar, alteraciones en los órganos y los tejidos del cuerpo humano,evitando procedimientos molestos y agresivos como melografía (punción lumbar), artrografía(introducción de medios de contraste en articulaciones) y otros que involucran una agresión omolestia para el paciente.FUNCIONAMIENTOPara producir imágenes sin la intervención de radiaciones ionizantes (rayos gama o X), laresonancia magnética se obtiene al someter al paciente a un campo electromagnético con unimán de 1.5 Tesla, equivalente a 15 mil veces el campo magnético de nuestro planeta.Este poderoso imán atrae a los protones que están contenidos en los átomos de hidrógenoque conforman los tejidos humanos, los cuales, al ser estimulados por las ondas de radiofrecuencia, salen de su alineamiento normal. Cuando el estímulo se suspende, los protonesregresan a su posición original, liberando energía que se transforma en señales de radio paraser captadas por una computadora que las transforma en imágenes, que describen la forma yfuncionamiento de los órganos. o MÁQUINAS ELÉCTRICAS Una Máquina Eléctrica es un artefacto que puede convertir energía eléctrica en energía mecánica (trabajando como motor) o bien energía mecánica en energía eléctrica (trabajando como generador). Este tipo de máquinas puede convertir energía de una forma u otra por la acción de un campo magnético. El desarrollo de la ciencia amplió el tipo de objetos que sufren y ejercen fuerzas magnéticas.Las corrientes eléctricas y, en general, las cargas en movimiento se comportan como imanes,es decir, producen campos magnéticos (región del espacio donde se manifiestan losfenómenos magnéticos). o CAMPO MAGNÉTICO RESIDUAL EN MÁQUINA ROTATORIAAl igual que en un conductor o un material, en los elementos de una máquina eléctricarotatoria se pueden inducir campos magnéticos que producen un magnetismo residual omagnetización. En las máquinas eléctricas rotatorias, el fenómeno de magnetización causagraves problemas, como la generación de corrientes inducidas que atenúan en el desgastemecánico en chumaceras, collarines, muñones e inclusive en la misma flecha, por efectosconocidos como corrientes frosting, pitting o spark tracks, así como lecturas erróneas ensensores de vibración y temperatura, y que en algunos casos pueden provocar que la máquinarotatoria salga de operación. En el ámbito mundial no existe una norma que establezca losvalores del campo magnético residual, permitidos en máquinas eléctricas rotatorias. Losvalores recomendados en la literatura del tema se han establecido con base en la experienciade trabajos desarrollados, y según éstos, se ha determinado que una máquina no presentamayores problemas con niveles de magnetismo residual inferiores a 3 Gausses (G). En caso de
  10. 10. que los niveles de campo magnético residual sean superiores a los mencionados en unamáquina eléctrica rotatoria, es necesario llevar a cabo un proceso de desmagnetización, hastallegar a los niveles aceptables.CAUSAS DE LA MAGNETIZACIÓN EN MÁQUINAS ELÉCTRICASEl campo magnético residual en los elementos de una máquina eléctrica rotatoria, sonproducido por diferentes causas, entre las cuales podemos mencionar las siguientes:a) La utilización de herramientas con fuertes campos magnéticos en el estator y/o rotor enáreas de la máquina donde se presentan altos niveles de campo magnético durante laoperación.b) El soldar sobre los elementos de la máquina. Cuando es necesario hacerlo, el electrodo detierra debe colocarse lo más cerca posible al electrodo de fundición, tomando las medidas deseguridad necesarias. La soldadura debe realizarse antes de instalar el rotor, flecha,chumaceras, sellos, etc. En caso de que durante el proceso de soldadura, el electrodo detierra se coloque en un lugar en el que la corriente de retorno pueda encontrar unatrayectoria, a través de la estructura compuesta de las partes rotativas y estacionarias de lamáquina, se pueden provocar campos magnéticos.c) Los campos magnéticos originados por diferentes componentes, coincidentemente puedenestar alineados de tal forma que induzcan mayores corrientes. En este caso es posible instalarcomponentes de repuesto que presenten campos de la misma intensidad, pero orientados deuna manera diferente para eliminar las corrientes de flecha.d) La circulación de una corriente directa puede alinear sus dipolos magnéticos durante unafalla a tierra en la flecha del rotor de un generador, de tal forma que la flecha se magnetice.e) Al realizar operaciones y pruebas con inducción magnética (pruebas de inspección conpartículas magnéticas).HERRAMIENTAS MAGNETIZADAS MÁS USUALES DENTRO DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES Overbands, filtros, tambores magenticos
  11. 11. o MANUTENCIÓN Y ROBÓTICAEn la robótica actual, los sistemas Magnéticos y Electroimanes cobran cada día una mayorimportancia dentro del sector industrial. Esto es debido a su gran versatilidad y flexibilidad ala hora de su fabricación, diseño y montaje.Este tipo de Sistemas Magnéticos pueden diseñarse para la manipulación y transporte decualquier tipo de pieza metálica, pudiendo ser adaptada a las necesidades especiales de cadasector.Los principales sectores de Aplicación son los siguientes:SEGURIDAD Y TRANSPORTEDispositivo de Cierre, Cerramientos, Puertas Automáticas, cierres puerta Corta-fuegoASCENSORES Y MONTACARGASSensores, escaleras, rampas, equipos de señalización y transporte.ENVASE Y EMBALAJE.Automatismos – Maquinaria para el etiquetado, y envase, dispensadores automáticos.MEDICINAAparatos de Radiología, Diálisis, Dosificadores y respiración artificial.MAQUINARIARobots Industriales, motores, prensas, electrodomésticos. Maquinaria textil, hornosindustriales.
  12. 12. CONCLUSIÓNLos distintos tipos de herramientas que se han desarrollado en base a las propiedades delmagnetismo tienen, hoy en día, y cada vez más, un protagonismo destacado dentro de laindustria moderna.Empresas especializadas en la investigación y desarrollo de esta tecnología, vanintroduciendo, con gran éxito, innovadoras técnicas de aplicación de las propiedades de losimanes a través de maquinaria o accesorios que permiten optimizar y racionalizar losprocesos productivos en una gran cantidad de sectores de la industria productiva y, lo que esmás importante, en la tarea de reciclaje, facilitando el complicado proceso de separación parala selección de los materiales a reciclar.La relación del magnetismo en la ingeniería industrial radica en la gran cantidad deaplicaciones tecnológicas que tiene esta ciencia; en los procesos de producción, defabricación y en la gran cantidad de aparatos y maquinarias que se pueden crear con lacorrecta aplicación del magnetismo y la gran capacidad del ingeniero industrial para crearmétodos de las ciencias matemáticas y físicas de una forma amplia y genérica, paradeterminar, diseñar, especificar y analizar los sistemas, innovar y desarrollar nuevastecnologías a partir de sus conocimientos en esta disciplina tan amplia de la física.

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