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fuerza magnetica

1. AD.01.01.01 — Fuerza magnética sobre una espira Máquinas Eléctricas Automotrices • Unidad 1 Ingeniería en Sistemas Automotrices

2. Índice 1. Objetivos del AD 2. Fundamentos teóricos esenciales 3. Modelo de par en la espira (μ, τ y θ) 4. Diseño de práctica de laboratorio 5. Seguridad eléctrica y buenas prácticas 6. Aplicaciones automotrices 7. Análisis de datos y resultados esperados 8. Productos de entrega y criterios 9. Referencias bibliográficas

3. Objetivos del AD Explicar la interacción entre corriente I y campo magnético B en una espira. Derivar e interpretar τ = N·I·A·B·sen(θ). Predecir el sentido del par usando la regla de la mano derecha. Relacionar el fenómeno con motores y actuadores automotrices. Realizar una práctica básica y documentar resultados.

4. Fuerza magnética: idea clave Una carga en movimiento en un campo magnético experimenta una fuerza (Ley de Lorentz). En un conductor con corriente, la fuerza neta sobre segmentos produce par en una espira. El efecto depende de la orientación entre el conductor y B.

5. Espira en campo magnético uniforme Representación de espira con corriente I en un campo B uniforme.

6. Ley de Lorentz y conductor con corriente F = q·(v × B) → Para conductores: F = I·(L × B). Módulo: F = I·L·B·sen(φ), con φ el ángulo entre L y B. Dirección: dada por producto cruz v×B o por regla de la mano derecha.

7. Producto cruz simplificado (I × B → F) Dirección de F a partir de I y B.

8. Par en espira y momento magnético μ Una espira tiene momento magnético μ = N·I·A (dirección normal a la superficie). El par es τ = μ × B → módulo τ = μ·B·sen(θ). El equilibrio estable ocurre con μ paralelo a B (θ = 0°).

9. Tormento (τ) sobre espira inclinada Definición de θ, μ y sentido de τ.

10. Dependencia con el ángulo θ τ(θ) = N·I·A·B·sen(θ). Máximo en θ = 90°; nulo en θ = 0° y 180°. Implicación: el arranque requiere conmutación o múltiples espiras.

11. Curva teórica τ vs θ Relación esperada entre el par y el ángulo.

12. Influencia de N y A El par escala linealmente con N (más vueltas → mayor μ). A mayor área A, mayor μ y por tanto mayor τ. Restricciones prácticas: resistencia, masa, espacio, disipación térmica.

13. Espira múltiple en B uniforme Aumento de μ con múltiples vueltas N.

14. Energía potencial magnética U(θ) = - μ·B·cos(θ). Mínimo en θ = 0° (μ alineado con B) y máximo en θ = 180°. El sistema tiende a orientar la espira alineando μ con B.

15. Paisaje de energía U(θ) Energía potencial (adimensional) versus θ.

16. Práctica: materiales y equipo Fuente DC (0–12 V) con limitador de corriente. Reóstato/resistencia en serie; amperímetro o multímetro en serie. Espira de cobre (5–10 vueltas) montada con giro libre entre polos. Imán en U o electroimán (campo aproximadamente uniforme). Cables con caimán; base aislante; soporte.

17. Montaje de laboratorio (esquema) Conexión básica: fuente, resistencia, amperímetro y espira entre polos.

18. Procedimiento (paso a paso) — Parte I 1) Revisa el objetivo y el diagrama de montaje. 2) Construye la espira; pela y estaña terminales. 3) Monta la espira con giro libre entre polos (separación uniforme). 4) Conecta circuito: fuente → R → A → espira → fuente.

19. Procedimiento (paso a paso) — Parte II 5) Ajusta la corriente inicial a ~0.2 A. 6) Observa el sentido del giro y justifícalo con la regla de la mano derecha. 7) Varía θ = {0°, 30°, 60°, 90°} y registra observaciones de par. 8) Incrementa I (0.2, 0.4, 0.6 A) y compara el efecto.

20. Procedimiento (paso a paso) — Parte III 9) Calcula τ teórico con N, I, A y una estimación/magnitud de B. 10) Toma evidencias fotográficas del montaje. 11) Desenergiza la fuente y ordena el área. 12) Estructura el reporte con datos, tablas, gráficas y conclusiones.

21. Seguridad eléctrica y de laboratorio Baja tensión y corriente limitada (<1 A continuo, según calibre del alambre). Evita sobrecalentamiento de la espira; usa intervalos breves. Aíslate del imán/electroimán al energizar; gafas de seguridad.

22. Pictogramas de seguridad Uso de gafas y manejo de baja tensión.

23. Buenas prácticas / control de errores Verifica contactos eléctricos y continuidad de la espira. Asegura paralelismo en polos para B ~ uniforme. Registra condiciones ambientales y repite cada medición ≥ 3 veces. Documenta incertidumbres (lectura, posicionamiento, variación de B).

24. Aplicaciones automotrices (I) Motores de corriente directa (par ~ I·B). Motores de arranque: alto par inicial mediante múltiples espiras/ramas. Conmutación para mantener θ cercano a 90° y maximizar par.

25. Aplicaciones automotrices (II) Actuadores y solenoides: principio de fuerza magnética lineal. Alternadores: relación entre inducción y par electromagnético. Diagnóstico: síntomas cuando I, N, A o B son insuficientes.

26. Solenoide y polaridad Identificación cualitativa de polos en un solenoide con corriente.

27. Ejemplo de cálculo (1/2) Datos: N=5, I=0.4 A, A=12 cm², B=0.25 T, θ=90°. μ = N·I·A = 5·0.4·(12×10⁻⁴) ≈ 0.024 A·m². τ = μ·B·sen(θ) ≈ 0.024·0.25·1 ≈ 0.006 N·m.

28. Ejemplo de cálculo (2/2) Comparativa: si N→10 o I→0.8 A, μ se duplica y τ también. Si θ→0°, τ→0 (alineación); el sistema cae a equilibrio estable. Diseño: buscar θ efectivo cercano a 90° mediante conmutación.

29. Tabla de registro (plantilla) Ensayo I (A) θ (°) Observación de giro/par τ teórico (N·m)

30. Resultados esperados y análisis τ aumenta con I y con N; depende de A y B. τ vs θ sigue un seno; máximo cercano a 90°. Incertidumbre dominada por estimación de B y fricción en soportes.

31. Evidencias / Entregables Bitácora con fotos y croquis del montaje. Tabla(s) de datos y gráfica(s) (τ vs θ, si aplica). Conclusiones y respuesta a preguntas guía. Nomenclatura de archivo: AD.01.01.01_ApellidoNombre.pdf

32. Criterios de evaluación (lista de cotejo) Montaje correcto y seguro. Registro de datos completo y legible. Análisis coherente con el modelo τ = N·I·A·B·sen(θ). Conclusiones claras y redacción técnica. Cumplimiento de formato.

33. Resumen visual del fenómeno Interacción I–B y par sobre la espira.

34. Preguntas guía ¿Qué variable tuvo mayor impacto en el par observado? ¿Cómo afectó la fricción del soporte a tus mediciones? ¿Qué cambios harías al diseño para aumentar el par? ¿Cómo se relaciona esto con un motor de arranque real?

35. Conexión con otras unidades Unidad 2 (estáticas): principio de inducción en transformadores. Unidad 3–4 (rotativas): conmutación y par continuo en motores. Selección de materiales: histéresis y permeabilidad (eficiencia).

36. Glosario I: corriente eléctrica (A). B: densidad de flujo magnético (T). μ: momento magnético (A·m²). τ: par (N·m). θ: ángulo entre μ y B.

37. Buenas prácticas de reporte Incluye diagrama de montaje a escala y fotos nítidas. Anexa cálculos y supuestos claramente. Usa unidades SI y redondea con criterio. Cita bibliografía en formato APA.

38. Limitaciones del modelo B no perfectamente uniforme entre polos. Resistencia y calentamiento del conductor. Fricción del eje/soportes y efectos de contacto. Aproximaciones en estimación de B y área efectiva.

39. Conclusiones El par sobre una espira es consecuencia directa de la interacción I×B. La expresión τ = N·I·A·B·sen(θ) predice tendencias observables. Este principio fundamenta el funcionamiento de máquinas rotativas.

40. Referencias bibliográficas (APA breve) Martín Castillo, J. C. (2022). Máquinas eléctricas. Editex. Rodríguez Arias, E. (2022). Máquinas eléctricas: Motores, generadores y transformadores. González Pérez, J. (2023). Montaje y mantenimiento de máquinas eléctricas rotativas. Ic Editorial. IEEE Xplore Digital Library. Electrical Machines. Khan Academy. Electromagnetism. All About Circuits. Tutorials on Electrical Machines. Schneider Electric. Recursos técnicos (máquinas eléctricas).

41. Cierre Prepara tu montaje y plan de registro antes de la práctica. Asegura condiciones de seguridad y verificación de equipo. Entrega tu evidencia con la nomenclatura indicada.