Càlculs pràctics per a la construcció d’un electroimant

 Federico Luque

L’electroimant:

Definició: Dispositiu que produeix una força d’atracció mitjançant un camp magnètic creat per un corrent elèctric. Consisteix essencialment en una armadura o nucli de ferro o acer envoltada per una bobina o més. Quan hom fa passar un corrent elèctric per la bobina es crea un camp magnètic en l’armadura. Enciclopèdia Catalana.

Altres idiomes:

Castellà: Electroimán

Alemany: Elektromagnet

Francès: Électro-aimant

Anglès: Electromagnet

Italià: Electtromagnete

Portuguès: Electroimán

 

Introducció:

L’electroimant és un imant temporal, el camp magnètic del qual es produeix per l’acció del flux generat pel corrent elèctric que hi circula. Aquesta és la diferència entre imant i electroimant.

En 1819 Oersted va descobrir que un fil conductor recorregut per un corrent elèctric crea al voltant un camp magnètic i Sturgeon, en 1823, va demostrar que aquest camp és més fort si es posa a dins la bobina un nucli de ferro dolç.

La forma més simple d’electroimant és el solenoide, que és un fil enrotllat en hèlice.

L’electroimant s’utilitza en porters automàtics (obre el pany de la porta), accionament d’electrovàlvules, grues dels ferrovellers, canvis d’agulles de la via del tren, timbres i brunzidors, relès, contactors de telecomandament, aparells de mesura, etc.

 

Objectius:

Es tracta de fer un full de càlcul per ajudar a la construcció d’un electroimant de ferradura. La construcció d’electroimants es fa de diversos tipus i cada tipus requereix un full independent o complicar molt el full amb moltes variables. Per això he decidit concentrar aquesta proposta en un sol model, l’electroimant de ferradura.

 

Nivell educatiu i utilització:

En el segon cicle de l’ESO es fa referència a projectes de construcció d’objectes elèctrics i electromecànics. Aquest full es podrà fer servir com a eina d’ajuda per saber les dades per construir qualsevol objecte que necessiti un electroimant, sense entrar en les connotacions teòriques del càlcul, tan sols en l’estudi del concepte general d’electromagnetisme i en el resultat final.

En el batxillerat podem entrar i aprofundir en l’estudi dels conceptes teòrics d’electromagnetisme que contempla el mòdul 3 de Tecnologia Industrial i aplicar els objectius terminals 11, 12, 13, 14, 15, i ho mateix en la matèria de Física.

Aquest full es pot utilitzar a l’aula de Tecnologia depenen si hi ha ordinadors o no. Si tenim ordinador podem fer que l’alumne que faci un projecte de construcció d’un aparell que contempli un electroimant pugui utilitzar aquest full per comprovar si les dades de partida són correctes o no, per exemple per construir un timbre. En el cas que l’aula de Tecnologia no tingui dotació d’ordinadors es pot programar una secció a l’aula d’Informàtica i alhora que expliquem els conceptes de electromagnetisme podem fer un cas pràctic per construir a l’aula de Tecnologia, per exemple, també, un timbre. També poden utilitzar els alumnes aquest full per resoldre els problemes i exercicis que tinguin que fer segons el tema que s’estudiï d’electromagnetisme.

 

DESCRIPCIÓ DEL FULL

 e_imant3.wks (17 kb) Full de càlcul MS Works

Entrada de dades:

Tensió d’alimentació: tensió en volts a la qual es connecta l’electroimant.
Densitat del corrent: màxima intensitat per mm² (A/mm²) que permet un material sense que arribi a sobrepassar un determinat valor de temperatura per segon que sigui major que el calor dissipat. Tot això deduït a partir de la fórmula de l’efecte Joule i la fórmula de Preece. A l’exemple tenim una densitat de 2 A/mm².
Tipus de material del nucli: Per a la construcció d’electroimants s’utilitzen materials ferromagnètics dolces. Hem inclòs una taula amb diversos tipus de materials.
1. Fosa gris
2. Acer semidur.
3. Acer dolç.
4. Acer fons.
5. Xapes de ferro ordinari.
6. Xapes de ferro superior.
7. Xapes de ferro extra.
Cada material te un codi i aquest és el que s’ha d’entrar com a dada.
Una de les característiques principals d’un bon material ferromagnètic és la permeabilitat: relació entre la inducció magnètica i la corresponent intensitat de camp , a partir de la corba de magnetització.
Força de suspensió: força en kg que ha d’aguantar l’electroimant amb l’armadura lligada al nucli.
Longitud mitjana de la ferradura: longitud total en cm mesurada pel mig aproximadament del jou, els nuclis i l’armadura.
Longitud enrotllament: mida longitudinal del que ocupa un conjunt de voltes que formen una capa de la bobina.
Gruixut enrotllament: distància en mm entre la primera capa i la última capa possible.
Les mides d’un pol: aquí posem la mesura del radi si és un cercle i la dels costats si és un quadrat o un rectangle. Tan sols s’ha de posar una mida.

Resultats:

Superfície dels dos pols: es calcula multiplicant per 2 el resultat en cm² de la superfície d’un pol.
Longitud mitjana d’una espira: si la superfície d’un pol és,
i desembarassant r, tenim
i la longitud de les voltes de la primera capa de la bobina és la longitud d’una circumferència,
i si apliquem un 50% més per tenir aproximadament la longitud de la volta mitjana, tenim la fórmula,
Inducció: a partir de la força suspensiva d’un imant,
donada en grams, i desembarassant la (inducció),
Intensitat de camp: Surt automàticament a partir de la taula que es crea d’una altra taula que contempla la Intensitat de camp (H) a partir de la inducció () i segons el material. En la primera taula es calcula la permeabilitat () amb la fórmula:
i així podem tenir una idea del tipus de material.
Ampers – Voltes: a partir de la fórmula següent,
i desembarassant el producte NI,
tenim el total d’aquest producte, ampers per voltes.
Secció fil de coure: es calcula per la fórmula,
a on:
NI = ampers – voltes.
lm = longitud mitjana d’una volta.
r = constant, coeficient de resistivitat (coure: 0,016)
E = Voltatge o tensió d’alimentació.
S = secció del fil en mm²
Diàmetre del fil: a partir de la secció del fil de coure podem desembarassar el diàmetre de la longitud de la circunferència,
Secció comercial: es tracta d’arrodonir a dos decimals el resultat anterior i després comprovarem al mercat el fil més aproximat al resultat i si el valor és molt diferent tornarem a donar altres valors d’entrada. El resultat es dóna en mm².
Intensitat del corrent: es tracta de multiplicar la densitat del corrent que tenim com a dada d’entrada per la secció comercial i el resultat es dóna en ampers.
Nombre de voltes totals: si havien calculat el valor del producte NI, ara podem dividir per la intensitat i tindrem el valor de N (voltes total de l’electroimant).
Voltes per bobina: es tracta de dividir el nombre total de voltes per 2 (els dos enrotllaments). Aquest valor s’ha de comprovar amb el resultat final.
Diàmetre del fil (amb esmalt): es tracta de sumar un valor (0,05 mm) com a valor del gruixut de l’esmalt al diàmetre del fil calculat anteriorment.
Voltes per capa: s’ha de dividir la longitud de l’enrotllament en mm, pel diàmetre del fil amb esmalt i el resultat serà el nombre de voltes que caben al llarg de l’enrotllament.
Capes per bobina: es tracta de dividir el gruixut de l’enrotllament pel diàmetre del fil amb esmalt i el resultat serà el nombre de capes que permet l’enrotllament.
Voltes que permet una bobina: s’obté multiplicant les voltes per capa per les capes que caben en una bobina.

Si les voltes que permet una bobina es major que el resultat de voltes per bobina aleshores el resultat és correcte, en cas contrari el resultat és incorrecte.