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MECANISMOS. ELECTROMAGNETISMO. EL MOTOR ELÉCTRICO.
OPERADOR TECNOLÓGICO
Es cualquier elemento material simple (polea, engranaje, cable, pila...) o complejo (reductor de velocidad, motor eléctrico...) que cumple una función determinada y produce un efecto por sí mismo o actuando sobre otro operador. Todas las máquinas tienen operadores. Cuanto más compleja es una máquina más operadores tiene y de más diverso tipo.
CLASIFICACIÓN DE LOS OPERADORES TECNOLÓGICOS
TIPO DESCRIPCIÓN EJEMPLOS
ESTRUCTURALES Operadores que soportan cargas y esfuerzos Vigas, pilares, columnas, tirantes, arcos, ... MECÁNICOS
(MECANISMOS) Relacionados con fuerzas y movimientos Ruedas, poleas, tuercas, palancas, manivelas, engranajes, ...
ELÉCTRICOS Relacionados con la corriente eléctrica Pilas, bombillas, resistencias, motores eléctricos, diodos, ...
NEUMÁTICOS En su funcionamiento interviene el aire Cilindros, compresores, pistones, ...
HIDRÁULICOS En su funcionamiento interviene un líquido (agua, aceite...) Bombas, válvulas, émbolos, pistones, ...
OPERADORES MECÁNICOS DE TRANSMISIÓN CIRCULAR
Estos mecanismos transmiten el movimiento, la fuerza y la potencia de manera circular, es decir, a través de la rotación. Se pueden emplear para aumentar o disminuir rápidamente la velocidad en las máquinas industriales, motores de automóviles, lavadoras, taladros, etc.
ENGRANAJES (RUEDAS DENTADAS)
Operadores mecánicos que transmiten el movimiento mediante piñones o ruedas dentadas. Pueden utilizarse para modificar la velocidad. Ejemplos: Los engranajes de un reloj, la caja de cambios de un coche, los piñones y platos (catalinas) de una bicicleta.
TREN DE ENGRANAJES DE FRICCIÓN
Es un sistema de dos o más ruedas que están en contacto directo y encajadas en los dientes. Una de las ruedas se llama motriz (piñón)
pues al moverse provoca el movimiento de la rueda conducida que es arrastrada por la primera. Pueden transmitir grandes potencias con una relación de transmisión exacta; también pueden aumentar o disminuir la velocidad. Dos ruedas que engranan entre sí giran en sentido opuesto porque están en contacto directo (friccionando). Este es el sistema de transmisión circular más empleado.
REDUCTOR DE VELOCIDAD
El engranaje conductor pequeño (piñón o rueda motriz) mueve al engranaje conducido grande. El resultado es una reducción de la velocidad o desmultiplicación. El engranaje grande gira más despacio que el pequeño y tiene una fuerza de tracción (arrastre) mayor.
La mayoría de los motores eléctricos están muy revolucionados; dan muchas vueltas en poco tiempo, pero con poca fuerza. El reductor de velocidad hace que disminuya la velocidad, pero que aumente su fuerza. La intensidad de la fuerza es inversamente proporcional a la velocidad de rotación. P.ej., si gira a la mitad de velocidad, la fuerza se duplica.
ENGRANAJE DE TORNILLO SIN FIN - CORONA
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OPERADORES ELECTROMAGNÉTICOS DEL MOTOR ELÉCTRICO
IMÁN PERMANENTE
Los imanes son materiales que tienen la propiedad de atraer
hierro y materiales férricos, es decir, no atraen todo tipo de metales sino a los que contienen hierro. Se llama
magnetismo a la fuerza que ejercen los imanes sobre otros materiales. El campo magnético es la zona de influencia donde actúa esta fuerza. Se puede representar mediante líneas de fuerza. Los imanes tienen dos polos, el
polo norte (N) y el polo sur (S).
Los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen.
El imán es un operador mecánico porque produce movimiento:
IMÁN TEMPORAL: EL ELECTROIMÁN
Un electroimán es un imán que funciona mediante la electricidad.
Es un operador eléctrico compuesto por un núcleo de hierro dulce (sin impurezas) sobre el que se enrolla un hilo conductor de cobre conectado a una fuente de energía eléctrica. Sólo cuando se cierra el circuito el núcleo se
comporta como un imán, que por eso recibe el nombre de imán temporal. Cuando lo desconectamos de la corriente pierde sus propiedades magnéticas y deja de atraer objetos metálicos férricos.
El polo norte y el polo sur del imán cambian al cambiar la polaridad de la pila (cambio de signo en los bornes da pila) y, por lo tanto, el sentido de la corriente.
Aplicaciones prácticas: los electroimanes se emplean en timbres, altavoces, grúas, etc.
Experiencia de Oersted (Hans Christian Ørsted): Si colocamos una brújula en el centro de un circuito eléctrico, observaremos como la corriente eléctrica produce un campo magnético que atrae a las agujas (imanes) de la brújula. Si no tenemos una brújula, podemos usar un simple imán y comprobar cómo el campo magnético del electroimán tira el imán en una determinada dirección.
Conclusión: La corriente eléctrica produce campos magnéticos.
Aplicaciones prácticas: El electroimán, el timbre eléctrico y el motor eléctrico.
EL MOTOR ELÉCTRICO DE CORRIENTE CONTINUA
MOTOR ELÉCTRICO: Es un operador compuesto por varios elementos que al actuar transforma la energía eléctrica en energía cinética, es decir, en movimiento.
Los motores eléctricos están presentes en una gran variedad de electrodomésticos, máquinas-herramientas, trenes, submarinos, etc.
Efecto Operador Símbolo Imagen
Transforma energía
eléctrica en movimiento. Motor
EXPERIMENTO
CONSTRUYE UN ELECTROIMÁN
1. Coge un cable o hilo de cobre muy largo y un trozo de hierro (núcleo); puede valer un clavo largo.
2. Enrolla el cable alrededor del clavo, con cuidado de que no se superpongan las vueltas.
3. Conecta los extremos del cable a una pila.
4. Acerca tu electroimán a unos clips. Verás que son atraídos por el electroimán.
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COMPONENTES DEL MOTOR ELÉCTRICO
Estator: parte fija del motor donde se disponen los imanes o electroimanes que generan el campo magnético.
Rotor: parte móvil que gira alrededor de su eje. El rotor está formado por una o más bobinas, el colector, las delgas y las escobillas.
Bobina: está formada por hilos de cobre esmaltado, enrollados y montados sobre un eje giratorio. Cada vuelta del hilo enrollado se llama espira. Cuando la corriente eléctrica circula por las bobinas se genera un campo magnético (como en el electroimán).
Colector de delgas: parte donde se conectan los terminales (extremos) de la bobina.
Delgas: son unas láminas metálicas muy finas con forma de semi-anillos, generalmente de cobre, que están en el colector, a las que se conectan los terminales de la bobina y sobre las que hacer contacto las escobillas.
Escobillas: piezas de material resistente al rozamiento y conductoras de la electricidad, generalmente de grafito, que hacen contacto con el colector, resbalando sobre las delgas, de modo que hacen llegar la corriente eléctrica a la bobina. Mantienen el contacto por fricción entre la parte móvil (rotor) y la parte fija (estator) del motor eléctrico.
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ELÉCTRICO
El funcionamiento del motor se basa en las fuerzas de atracción y repulsión magnéticas ocasionadas por los imanes del estator y un hilo por donde hacemos circular la corriente eléctrica (bobina) situado en el rotor.
Cuando circula la corriente eléctrica por cada lado de la bobina del rotor se forma un campo magnético, es decir, la bobina actúa como un electroimán. Este campo magnético se encuentra entre los dos polos magnéticos del estator (imanes).
Al interaccionar los dos campos magnéticos se producen fuerzas que obligan a la bobina del rotor a moverse, un lado hacia arriba y el otro hacia abajo, dado que la corriente circula en un sentido por un lado y en el sentido contrario por el otro lado.
Función del colector de delgas: Una de las láminas (delgas) está conectada al polo positivo del generador o pila y la otra lámina está conectada al polo negativo. La función de las delgas es que la bobina del motor gire continuamente. La bobina girará hasta que el polo sur de su campo magnético quede enfrentado al polo norte del imán del estator y viceversa. Sin embrago, la bobina y su núcleo (electroimán) sólo darán media volta.
Tecnología – Mecanismos. Electromagnetismo. El motor eléctrico. 4 de 6 porque al girar, la que antes estaba conectada al polo positivo pasa a estar conectada con el negativo y viceversa, de modo que cambia la polaridad y el sentido de la corriente.
Lo que ocurre a continuación es que se invierten los polos magnéticos del electroimán. Al cambiar la polaridad, el polo sur se convierte en polo norte y viceversa, de modo que la bobina continúa girando para reorientarse con los polos de los imanes del estator, realizando otra media vuelta. Al acabar la segunda vuelta, vuelve a cambiar la polaridad y así el movimiento de giro continúa indefinidamente.
Nota: Si invertimos la polaridad de la pila o de la fuente de alimentación de un motor de corriente continua, invertimos el sentido de giro del motor, ya que en este caso, la corriente de la bobina circula al revés y las fuerzas de repulsión cambian de sentido.
A continuación vemos la representación de un motor eléctrico con varias bobinas como los que usamos en los proyectos de tecnología:
ACTIVIDADES SOBRE LOS MECANISMOS Y EL MOTOR ELÉCTRICO
1. Define “Operador tecnológico”.
2. Completa la siguiente tabla de familias de operadores.
CLASIFICACIÓN DE LOS OPERADORES TECNOLÓGICOS
TIPO DESCRIPCIÓN EJEMPLOS (POR LO MENOS 2)
ESTRUCTURALES
Relacionados con fuerzas y movimientos
ELÉCTRICOS Relacionados con la corriente eléctrica
En su funcionamiento interviene el aire
HIDRÁULICOS Bombas, válvulas, émbolos, pistones, ...
3. Explica brevemente qué es un reductor de velocidad y para qué sirve. Dibújalo señalando sus partes.
Tecnología – Mecanismos. Electromagnetismo. El motor eléctrico. 5 de 6 5. Explica brevemente qué es un mecanismo de tornillo sin fin - corona. Dibújalo
señalando sus partes.
6. ¿Qué es un imán? ¿Cómo interacciona?
7. Marca con un aspa (X) cuáles de los siguientes metales son atraídos por los imanes (Para resolver esta cuestión, debes recordar la experiencia realizada en clase).
BRONCE PLOMO HIERRO ALUMINIO
8. ¿Qué tipo de operador es un imán? ¿Por qué?
9. Define en una línea qué es un electroimán.
10. ¿Por qué decimos que un electroimán es un imán temporal?
11. Explica qué componentes necesitas para construir un electroimán sencillo.
12. ¿Qué ocurre con el campo magnético de un electroimán cuando cambiamos la polaridad de la
pila que le da la corriente eléctrica?
13. Dibuja un electroimán en interacción indicando sus partes.
14. Nombra y describe y nombra los componentes de un motor eléctrico:
NOMBRE DESCRIPCIÓN
1.
2.
3.
4.
5.
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15. Señala las partes del motor eléctrico:
16. ¿Qué tipo de transformación energética se produce en un motor eléctrico?
17. Explica brevemente en qué se fundamenta el funcionamiento de un motor eléctrico.
18. Explica qué dos funciones desempeñan las delgas en el motor eléctrico.
19. ¿Qué pasaría con el giro de un motor eléctrico si no hubiese delgas? ¿Por qué?
20. ¿Qué ocurre si invertimos la polaridad de la pila o de la fuente de alimentación de un motor eléctrico de corriente continua?
21. ¿Cuántas veces cambia la polaridad en un motor eléctrico con 2 bobinas cada vez que el rotor