Induction
07 Mar, 2013
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PDFElectric brake
PRESENTATION: A copper sheet may oscillate freely between the poles of an electromagnet while it is turned off. When the electromagnet is turned on the oscillatory movement suddenly stops. If the copper sheet is replaced by another one presenting several parallel cuts, it can be observed that the braking effect is weaker because the induced Foucault currents are also weaker. The magnetic field may be also created using permanent magnets.
- Magnetic Braking: A Video Analysis, J. A. Molina-Bolívar and A. J. Abella-Palacios, Phys. Teach. 50, 412 (2012)
- Demonstrating Lenz’s Law with Recycled Materials, Carlos Saraiva, Phys. Teach. 44, 182 (2006)
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En este otro vídeo se ve un ejemplo de frenado por inducción magnética. Este fenómeno es muy de provecho para las montañas rusas ya que sirve de método de frenado eficaz. En este link aparece la aplicación detallada.
El freno eléctrico es un dispositivo que permite desacelerar o detener un vehículo mediante accionamiento eléctrico. Su funcionamiento está basado en el principio de la creación de corrientes que nacen en una masa metálica cuando esta se sitúa en un campo magnético variable. Estas corrientes en forma de torbellino se denominan corrientes de Foucault. La principal ventaja de este sistema de frenado es que al no tener rozamiento entre partes mecánicas, el desgaste y el mantenimiento son mínimos, y permite frenar vehículos muy pesados, como camiones, autobuses o trenes, sin apenas consumo de energía. Me parecen un buen ejemplo para explicar el dispositivo de frenado de vehículos pesados.
Para ilustrar e complementar a explicación teórica do comentario anterior, achego o seguinte vídeo. Demóstrase o efecto de freado magnético que pode usarse a modo de exemplo pormenorizado do funcionamento de freado en vehículos pesados.
Mostra a aplicación do principio de Faraday e Lei de Lenz.
+info
En el siguiente enlace. Se puede ver una simulación sobre la ley de Lenz que afirma que las tensiones o voltajes inducidos sobre un conductor y los campos eléctricos asociados son de un sentido tal que se oponen a la variación del flujo magnético que las induce.
En este otro enlace se explica la inducción magnética.
Los conocidos popularmente como “contadores de la luz” también funcionan por inducción. La electricidad que se va a utilizar pasan por un par de espiras que inducen un campo magnético. Los campos magnéticos crean una corriente de Foucault en el disco de aluminio y hacer que el disco gire a una velocidad proporcional a la cantidad de energía que se consume. Cuanta más electricidad consumimos, más rápido girará el disco.
En el IES construimos uno parecido, con el material que disponemos, y aunque se observa que el péndulo va frenando no es tan rápido como en el video, no deducimos aplicaciones como el frenado en una montaña rusa.
Las corrientes de Foucault no suelen ser deseadas, porqué la energía se disipa en forma de calor. A pesar de ser corrientes parásitas y no provechosas en motores o generadores, pueden ser utilizadas en ciertos casos, como los frenos eléctricos del experimento. Una aplicación muy útil en los hogares actuales son las cocinas de inducción que aprovechan las corrientes de Foucault y sus pérdidas de calor para calentar la comida. Es uno de los mayores adelantos en la cocina por su alto poder calorífico y bajo consumo eléctrico.
Una aplicación revolucionaria es el calentamiento de metales por inducción electromagnética de forma muy localizada.
Las clásicas bicicletas estáticas funcionan debido a la presencia de un freno magnético, de forma que el deportista deberá superar la resistencia que el freno presenta.
El frenado magnético es un efecto que se presenta al mover un imán cerca de un metal como el cobre o el aluminio, produciéndose el frenado del movimiento del imán, utilizado tal y como se comenta anteriormente por ejemplo en las montañas rusas al final de su trayectoria. Las leyes que subyacen a dicha actividad manipulativa son las de Faraday, Ampere y Lenz. A continuación dejo el enlace de un vídeo explicativo del fenómeno. Y otro ejemplo más elaborado, y a su vez mucho más complicado de aplicar en un aula de secundaria, pero muy bien explicado es el siguiente de la UCM. Espero que sea de utilidad!
Los frenos eléctricos de inducción, denominados también ralentizadores o de corrientes parásitas, tienen una larga historia en el mundo del automovilismo. A día de hoy, los frenos eléctricos, aunque siguen basándose en el mismo principio de operación que los originales, incorporan la electrónica de potencia y la electrónica digital, así como las comunicaciones a través de bases de datos y los materiales livianos. Todas estas modernidades hacen que los frenos eléctricos lleguen a ser aptos para los más actuales vehículos comerciales de las principales marcas mundiales. En este enlace, se puede consultar información sobre el principio de funcionamiento de un freno eléctrico de inducción.
Podemos observar otra aplicación de este fenómeno en las nuevas placas de inducción, que cada vez remplazan más a las vitrocerámicas eléctricas en nuestras cocinas. Funcionan con unas bobinas de cobre que crean un campo magnético que cambia constantemente de dirección. Cuándo se pone una olla sobre la placa, el campo magnético genera una corriente que, a su vez, genera calor (al excitar las moléculas del recipiente).
Aplicación muy interesante de la inducción. Tengo entendido que esta clase frenos generan una importante cantidad de calor que debe ser evacuado, pero resulta interesante que a mayor velocidad del objeto se obtendrá una mayor inducción y por tanto una mayor intensidad de frenado. Cuanto más rápido se desplace el objeto más intensa será la frenada.
En el siguiente enlace podemos encontrar un simulador en donde utilizar un imán, al cual podemos invertir la polaridad, para variar el campo magnético a través de una o más bobinas de diferente número de espiras y comprobar la ley de Lenz. Esto nos permite visualizar de forma cualitativa las líneas de campo magnético así como la tensión inducida a través de la bobina. Adjunto una explicación detallada en donde se indican todos los factores que forman parte del fenómeno de inducción y cómo estos afectan a la fuerza contraelectromotriz (fem) generada.
Experimento moi interesante. Como pode comprobarse no vídeo, a utilización de elementos estreitos limita a aparición de correntes de Foucault. A aplicación mais coñecida deste fenómeno son a utilización de láminas nos transformadores eléctricos. Adxunto un enlace onde o explican.
O freno magnético está en moitas aplicacións onde o freno mecánico non é suficiente ou presenta maiores desvantaxes, como maior desgaste, pero disipación de calor, etc. Algunhas das aplicacións do freno magnético son para camións, trens de alta velocidade… onde funciona principalmente como sistema auxiliar de frenado. Investigando un pouco máis sobre o tema atopei este blog onde explica paso a paso e de forma sencilla os fundamentos dun freno magnético. Esta explicación está moi ben plantexada de cara a introducir o concepto nunha clase de secundaria.
Me gustaría complementar la explicación del experimento aportando este vídeo de este tipo de demostración, pero aclarando el efecto de la inducción de las corrientes de Foucault, el por qué sigue funcionando cuando existen ranuras cerradas en el conductor, pero por qué no lo hace cuando dichas ranuras se encuentran abiertas.Me parece interesante mencionar que el efecto de las corrientes de Foucault se utiliza para la localización de defectos superficiales en materiales conductores, como se comenta en la siguiente página.
Las corrientes de Foucault (también denominadas de Eddy o parasitarias) poseen aplicaciones prácticas, y aparte de lo ya mencionado en los comentarios anteriores, aquí señalo el uso de los hornos de inducción. Consiste en calentar una pieza metálica a través de corrientes inducidas debido a la acción de un campo magnético variable, y en este contexto se alterna la polaridad a muy alta frecuencia. En consecuencia, al cambiar el campo, y por ende el flujo, también de forma sinusoidal, se logra inducir corrientes en una pieza metálica, que debido a la resistencia eléctrica presente en el material, causa un desprendimiento de calor. Aquí las corrientes inducidas son directamente proporcionales a la rapidez de variación de flujo magnético, y por lo tanto en la frecuencia de variación del campo magnético. Se utilizan en la fundición de metales. Más información.
Con el objetivo de completar más este experimento propongo la lectura del proyecto FRENO ELECTROMAGNÉTICO: PROTOTIPO PARA EXPERIMENTACIÓN realizado por dos alumnos de Medellín en la Facultad de Ingeniería Electrónica en la que realizan una guía de laboratorio para poder observar e interpretar los resultados obtenidos sobre los frenos electromagnéticos. Y aprovecho para añadir palabras clave:FRENO ELECTROMAGNÉTICO, FRENO DE EDDY, CORRIENTES DE EDDY O DE FOUCAULT, CORRIENTES PARÁSITAS, ADQUISICIÓN DE DATOS COBRA3,TESLÁMETRO.
Hablando de la temática de inducción magnética es interesante destacar algunas aplicaciones, como por ejemplo las tabletas gráficas para dibujar imágenes digitales, conocidas también como tabletas gráficas pasivas. Estan formadas por pequeños cables a lo largo y ancho de la pantalla, con un bolígrafo que genera un campo magnético que sale de la punta. Al pasar el lápiz por la superficie de la pantalla podemos notar este campo magnético cambiante en los cables que se traduce en una emf inducida.
También algunos discos duros aplican el principio de Faraday en la grabación de datos a partir de discos giratorios con un recubrimiento.
Este efecto de freado tamén podería observarse cando se achega a un disco condutor en movemento un imán permanente que cree un campo magnético de suficiente intensidade, como un imán de neodimio. De feito, os imáns de neodimio son moi útiles neste campo, xa que forman parte dos chamados freos electromagnéticos con imán permanente (FIP), unha innovadora tecnoloxía que ofrece un freado seguro e preciso gracias á interacción entre imáns de neodimio e unha bobina. Aproveito para achegar outra aplicación do freado magnético por correntes de Foucault: os autoaseguradores dos escaladores e os sistemas de freado das tirolinas.
Este fenómeno tiene implicaciones muy relevantes en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, en sistemas de frenado en trenes mediante frenado magnético o corrientes de Foucault. Como muestra el vídeo, las corrientes inducidas en el metal generan resistencia que actúa como freno sin necesidad de fricción. Una de sus principales ventajas es el frenado suave y sin desgaste en las piezas. También es curioso su uso en bicicletas de alta gama, donde se busca reducir el desgaste y mejorar la eficiencia energética.