Fisicaii. Motor Solenoide PDF

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Summary

Breve descripcion de un trabajo incompleto de fisica 2 de un motor solenoide...

Description

Portada “Año de la Universalización de la Salud”

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

MOTOR SOLENOIDE Integrantes: •

Acuña Chumpitaz, Jhon Aldair

U18104353

•

Bonifacio Marin, Denis

U18311466

•

Cuadros Salazar, Axel

•

Pareja Torres, Shirley Andrea

U18209764

•

Retamozo Jimenez, Christian

U19309358

•

Suarez Espinosa, Moises

U19221128

•

Valero Veliz , Valentin Litmer

1633048

U18307902

Asignatura: CALCULO APLICADO A LA FÍSICA II

Docente: Ccama Pari, Richard

Sección: 13897

Lima-Perú 2020

Dedicatoria

Este trabajo de investigación está dedicado a todas las personas que colaboraron, que sin su ayuda no podríamos llegar a terminarlo de manera satisfactoria. A nuestros padres quienes a lo largo de toda nuestras vidas nos han apoyado y motivado en nuestra formación académica, creyeron en nosotros en todo momento y no dudaron de nuestras habilidades. A nuestros profesores a quienes les debemos gran parte de nuestros conocimientos, gracias a su paciencia y enseñanza, finalmente un eterno agradecimiento. A esta prestigiosa universidad la cual abre sus puertas a jóvenes como nosotros, preparándonos para un futuro competitivo y formándonos como profesionales con sentido de seriedad, responsabilidad y rigor académico. ¡Gracias Dios… Gracias compañeros!

Índice

Portada....................................................................................................................................1 Dedicatoria.............................................................................................................................2 Índice......................................................................................................................................3 Introducción...........................................................................................................................5 Justificación............................................................................................................................5 Objetivos................................................................................................................................5 

Objetivo principal.....................................................................................................5



Objetivos específicos................................................................................................6

Fundamento Teórico...............................................................................................................6 Materiales.............................................................................................................................15 Procedimiento......................................................................................................................15 Cálculos y resultados............................................................................................................19 Planteamiento del problema.................................................................................................23 Conclusiones........................................................................................................................24 Bibliografía..........................................................................................................................25

Resumen Para construir y entender el funcionamiento de un motor de solenoide , es necesario tener conocimientos de las leyes del electromagnetismo, tales como: la “Ley de Faraday”, La “ley Ampere” y la “Ley de Gauss” a partir de las cuales se ha implementado el diseño y construcción de un motor de solenoide, la que genera una un campo magnético de corto alcance, que no es letal para quien la manipule, además el campo electromagnético permite realizar transferencias inalámbricas de energía, generando ionización y ozono del aire. En este caso, se decidió construir un motor solenoide con fines académicos, de forma que se pueda demostrar como la aplicación de electricidad forma un campo magnético, generando impulsos electromagnéticos para dar funcionamiento al motor.

Introducción La idea principal al desarrollar el proyecto “motor solenoide” es entender su funcionamiento paso a paso, desde la construcción de un material conductor que tiene la capacidad de generar un campo magnético a través de la aplicación de una corriente eléctrica en su interior, hasta el control de la apertura y cierre de una válvula para el paso de gases (sistemas neumáticos) o líquidos (sistemas hidráulicos). Lograr este objetivo tiene la finalidad de entender una de las aplicaciones más importantes de los campos electromagnéticos y compartir los conocimientos adquiridos de los procesos que se generan en el diseño y construcción del motor, cuyos principios de funcionamiento son básicos en el entendimiento de la interacción de los campos eléctricos y magnéticos.

Justificación La presente investigación es importante sobre todo para futuros ingenieros y empresas que se dedican al rubro de la fabricación de motores ,ya que da a conocer cómo funciona el motor solenoide, ya que se beneficiarían de información empírica explicita sobre el funcionamiento de un motor sobre todo a base de manipulación de electricidad, el cual muchos desconocemos pero que utilizamos diariamente, ya que una de las cosas que usamos casi más que el agua es la electricidad, y teniendo en cuenta que no ocurre tan a menudo encontrarse con un invento tan antiguo que continúe teniendo relevancia en la actualidad, especialmente si consideramos que su uso tiene lugar en el ámbito de la ciencia, donde los constantes avances dejan obsoletos muchos descubrimientos. En ese sentido, grupo y yo hemos consideramos profundizar en este tema, además que en el trayecto de la investigación, adquiriremos conocimiento en temas como la “Ley de Faraday” y “Ley de Ampere” y temas sobre electricidad que contribuirán al desarrollo de nuestra investigación y también enriquecerán nuestros conocimientos.

Objetivos  Objetivo principal Diseñar y construir un inductor de baja potencia para válvulas solenoides, a fin de entender y comprender los fenómenos físicos ocurridos en el motor solenoide.  Objetivos específicos -

Entender y comprender el magnetismo en el motor solenoide como parte de la Ley de Gauss.

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Entender y comprender la inducción electromagnética en el motor solenoide como parte de la ley de Faraday.

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Mencionar los usos y aplicaciones del motor solenoide para su reconocimiento.

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Realizar una demostración del motor.

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Elaborar un estudio de forma general acerca de la válvula solenoide, especificando conceptos básicos trabajados en clase.

Fundamento Teórico Motor solenoide: Según Jiménez et al. (2016) un motor solenoide es un mecanismo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica y crea un campo magnético de gran intensidad en la bobina. Así mismo, el solenoide se emplea en una clase se válvulas que recibe el nombre de válvula solenoide. La apertura y el cierre de estas válvulas se producen por pulsos eléctricos y pueden llegar a ser controlados. Es un dispositivo el cual es capaz de crear un campo magnético sumamente uniforme e intenso en su interior, y muy débil en su exterior.

La función principal de un solenoide es activar una válvula que lleva su mismo nombre, la válvula solenoide. Esta válvula opera de acuerdo a los pulsos eléctricos de su apertura y su cierre. Es importante mencionar que existen varios tipos de solenoide, por lo que es lógico que su instalación y conexión también varié. No obstante, ya se trate de un solenoide u otro, y se le den sus diferentes, todos ellos operan bajo el mismo principio.

El físico y matemático de origen francés André-Marie Ampere, fue la primera persona en acuñar el término solenoide, y lo hizo en el año 1820. Descubrió las acciones mutuas entre corrientes eléctricas, al demostrar que dos conductores paralelos por los que circula una corriente en el mismo sentido, se atraen, mientras que si los sentidos de la corriente son opuestos, se repelen. la unidad de intensidad de corriente eléctrica, el Ampere (símbolo A), castellanizada como Amperio. Los orígenes de este motor están sentados en el electromagnetismo cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. Se puede calcular el modulo, del campo magnético en el tercio medio del solenoide según la ecuación:

B=

m Ni L

Dónde: m: la permeabilidad magnética N: el número de espiras del solenoide i: la corriente que circula L: la longitud total del solenoide

Elementos del motor solenoide: La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

Figura 1. Científico James Clerk Maxwell



El campo eléctrico

La Universidad nacional del Nordeste (2008) señala que el campo eléctrico en un punto del espacio es producido por una o varias cargas eléctricas, se define en términos de la fuerza que experimenta una unidad de carga estacionaria situada en dicho punto. El campo eléctrico E se expresa en voltios por metro (V/m). Su fórmula es la siguiente:

 E=K

q1 r2

ur

Si en vez de cargas puntuales se tiene de una distribución continua de carga (un objeto macroscópico cargado), el campo creado se calcula sumando el campo creado por cada elemento diferencial de carga, es decir:

dq E=∫ d  E =∫ K 2 ur r

Figura 2. Campo eléctrico creado en el punto P por una carga de fuente q1 positiva y por una otra negativa 

El campo magnético Puede estar producido por una carga puntual en movimiento o por un conjunto de

cargas en movimiento (Masot, 2007). Es una magnitud vectorial.

Figura 3. Una carga q mueve con una cierta velocidad Cuando una carga q se mueve con una cierta velocidad, como se muestra en la siguiente figura, crea un campo magnético en todo el espacio

 B=

u0 q v ×ur 4 π r2

q: Carga creadora del campo v: Velocidad de dicha carga r: Distancia desde el punto donde se encuentra la carga hasta el punto P donde se está calculando el campo ur: Vector unitario que va desde el punto donde se encuentra la carga hacia el punto donde se calcula el campo μ0: Constante denominada permeabilidad del espacio libre. Su valor en el Sistema Internacional es μ0 = 4π 10-7 T m/A 

Corriente eléctrica:

Es “ el movimiento de cargas eléctricas a través de un medio conductor o a lo largo de un circuito”(Grupo Pandora, 2001, p.10). 

Intensidad de corriente (I): “La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de cargas que circula por un conductor por unidad de tiempo, y su unidad de medida es el Amperio(A)”( Grupo Pandora, 2001, p.10). Es una magnitud escalar, su fórmula es la siguiente:

I=

Q ∆t

Dónde: Q: Carga eléctrica (A) t: Tiempo (s) 

La carga eléctrica es una cantidad conservada, esto significa que no se crea ni se destruye, la fórmula para calcular la carga en un circuito eléctrico es:

Q=I × t Según el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio o coulomb (símbolo C). 

Polarización eléctrica Según la Universidad de Vigo (2011) es un campo vectorial que expresa la densidad de los momentos eléctricos dipolares (producto de la carga eléctrica por la distancia carga eléctrica por la distancia entre las cargas del dipolo) permanentes o inducidos en un material dieléctrico (mal conductor de electricidad) de electricidad.



Polarización magnética La polarización magnética es una propiedad de las ondas que pueden oscilar con más de una orientación. Esto se refiere normalmente a las llamadas ondas transversales, en particular se suele hablar de las ondas magnéticas, aunque también se puede dar en ondas mecánicas transversales.

Teoría de Campos Electromagnéticos El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulación por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales

Ecuaciones de Maxwell Las ecuaciones de Maxwell son cuatro y su objetivo es describir los fenómenos que se presentan tras la unificación de los campos eléctricos y magnéticos en uno solo, “El Campo Electromagnético”. James Clerk Maxwell público en 1861 un modelo físico matemático capaz de explicar la totalidad de las leyes del electromagnetismo y la capacidad de poder predecir fenómenos desconocidos (Arriola, 2011, p.29).



La Ley de Gauss

En física la ley de Gauss, relacionada con el Teorema de la divergencia o Teorema de Gauss, establece que el flujo de ciertos campos a través de una superficie cerrada es proporcional a la magnitud de las fuentes de dicho campo que hay en el interior de la misma superficie. Lo que dice dicha ley, es que la carga está polarizada, es decir, puede ser negativa (sumidero), positiva (fuente), o bien, nula (ausencia de carga) el resultado de aplicar dicha ley a un punto en el espacio(Arriola, 2011, p.33).

de la de Gaussesta ley establece la no existencia de monopolos EsFigura la ley4.deEcuación Gauss para el Ley magnetismo, Figura 5. Flujo eléctrico a través de una superficie elipsoidal magnéticos, estableciendo que las líneas de campo son cerradas, es decir, no tienen ni principio ni fin.

No es más que la ley de Faraday, que describe como las líneas de campo eléctrico rodean cualquier superficie a través de la cual existe un flujo magnético variable y relaciona el campo eléctrico con la variación de campo

Figura 7. Expresión de la Ley de Faraday

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Ley de Ampere

Esta ley describe como rodean las líneas de campo magnético a una superficie a través de la cual está pasando una corriente o existe un flujo eléctrico variable. Figura 8.Expresion de la Ley de Ampere

Principio de Operación: De una válvula solenoide común sus principales partes se pueden distinguir. Donde la aguja está acoplada mecánicamente hacia la parte inferior del embolo, al moverse la bobina, el embolo se mueve hasta el centro de la bobina, permitiendo el paso del fluido y al des-energiza la bobina, el embolo hace que caiga por gravedad o en otros casos ejerce la fuerza el resorte, hasta llevarlo a su posición inicial en donde permanece completamente cerrada(Muñoz & Torres,2017).

Figura 9. Válvula solenoide

Importancia del solenoide: La importancia de la aplicación de este motor es notoria al ser de uso general en distintas áreas de la industria, entorno que podríamos frecuentar en el avance de nuestra carrera, además de la peculiaridad que este motor es al ser tan ambiguo y de uso frecuente nos lleva a cuestionarnos su funcionamiento y los pilares bajo los que fue fundado, para comprender más su complejidad y originalidad. Es importante conocer sobre el solenoide porque son de uso general para utilizarse con materiales de uso común en las industrias como: aire, gas, agua, gasolina, aceites, químicos, etc.; por lo cual nos podremos ver relacionados en algún entorno de nuestra carrera, ya que son utilizadas en todas las áreas industriales.

Figura 10. Diagrama del uso industrial del Motor Solenoide. Fuente: ODE

Usos del Motor Solenoide:  Timbres

Figura 11. Timbre

 Motores de carro Cuando giramos la llave de contacto a la posición de arranque, enviamos la corriente eléctrica de la batería a través del clausor al solenoide de arranque. Esta electricidad que pasa por el solenoide del motor de arranque genera un campo magnético que hace que el motor de arranque pueda comenzar a funcionar, permitiendo el arranque del vehículo.

Figura 12. Motor de arranque

 Sistemas de riego El agua entra en la válvula por la línea principal del sistema y ejerce una fuerza contra el centro del diafragma de la válvula. El agua continúa viajando a través de un puerto en la tapa a la zona del solenoide. El solenoide tiene un pistón accionado por

resorte de metal ligero que, cuando la válvula está cerrada, cubre el agujero orificio de entrada. El área de superficie que el agua entra en contacto en la parte superior del diafragma es mayor que el área de la superficie en la parte inferior del diafragma, por lo que la válvula permanece cerrada hasta que el agua en la cámara superior se libera.

Figura 13. Válvula solenoide de irrigación

Materiales

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Madera de 7 cm de ancho y 12.7 de largo

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Cable con alambre por dentro

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Carcasa de lapicero

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Un clavo

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Un disco

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Una lámina conductora de electricidad

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Alambre magneto calibre 23

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Pegamento

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2 tornillos

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Cables

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Palitos de helados

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Batería de 12 voltios

Procedimiento 1. Quitamos el aislante del cable, para utilizarlo en algunas partes de nuestro motor

Figura 14. Fuente : Aparicio y Paucar

2. Doblamos el alambre para hacer cigüeñal a nuestro motor.

Figura 15. Paso2

3. Con otro alambre hacemos la biela de nuestro motor y un círculo en el extremo del alambre para luego meter en el agujero, poniendo no muy flojo ni apretado.

Figura 16. Paso3 4. Hacemos dos soportes para el eje de nuestro motor, se fijan 2 tornillos y se hace otro círculo en la parte inferior de los soportes, lo cual servirá para fijarlo en la madera 5. Con los trozos De aislante se coloca la biela, cuadrarlo de una forma firme, lo cual la biela tiene que girar sin problemas

Figura 17. Paso 4 y 5

6. Colocamos el eje en el soporte que pusimos y fijamos el otro soporte, ponemos dos trozos de aislante en los extremos para evitar que no se caiga. 7. Aquí colocamos la hélice y lo fijamos con pegamento.

Figura 18. Paso 6 y 7

8. Cortamos la mitad de un tubo de esfero 5cm y enrollamos alambre magneto, dejamos un largo de alambre para hacer la conexión, cinta para que no se desenrolle y empezamos a dar vueltas con el alambre hasta dejar cubierto el tubo de esfero, y finalmente lo fijamos con cinta. Como podemos ver en la siguiente imagen.

Figura 19. Paso 8

Cálculos y resultados Luego de elaborar toda la maqueta se procederá, se debe proceder a hacer el experimento, en el cual se deben tomar datos y hacer cálculos matemáticos para obtener los resultados del campo magnético. Luego de ello elaboramos un informe con las investigaciones correspondientes realizadas ya previamente

Parte I: Variación del campo magnético con la distancia. Bobina 1

Bobina 2

L (cm)

B (mT)

-5

L (cm)

B (mT)

-0,04

-5

-0,05

0

0,11

0

0,60

2,5

0,86