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Fisica 3° · 2024
Libro de Física 3 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

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Investigo el motor eléctrico: partes, funcionamiento e infografía

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 3° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

  1. Partes: carcasa/estator, rotor (armadura o jaula de ardilla), núcleos magnéticos, escobillas y anillos, cojinetes, ventilador y caja de bornes. 2) Funcionamiento: F = B I L \sin\theta, con la regla de la mano izquierda de Fleming. 3) Linea de tiempo: 1820 Ørsted → 1821 Faraday → 1888 Tesla → hoy motores sin escobillas. 4) Con I=20\,\text{A}, L=0{,}05\,\text{m}, B=0{,}8\,\text{T}: F=0{,}8\,\text{N} y \tau=0{,}032\,\text{N·m}.
📚 exercise fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 148

Fisica 3° · 2024

1
Ejercicio 1

(Actividad a) — Investigo el motor eléctrico, sus partes y funcionamiento

Enunciado: Investigo sobre el motor eléctrico, sus partes y funcionamiento; sintetizo la información mediante un organizador gráfico o una infografía; establezco aplicaciones, descubrimientos y una línea de tiempo de los avances tecnológicos. Puedo guiarme en el modelo de la infografía presentado o generar una propia en aplicaciones web.

a
Parte 1.a

Partes del motor eléctrico

  1. Carcasa o estator: estructura fija que aloja las bobinas (devanados) y el núcleo magnético; disipa el calor a través de aletas.
  2. Rotor (armadura): parte giratoria con el eje de salida; puede ser bobinado (con escobillas y anillos rozantes) o de jaula de ardilla (conductor continuo en forma de jaula).
  3. Núcleo magnético del rotor y del estator: chapas de acero al silicio que concentran el flujo magnético y reducen las corrientes parásitas.
  4. Escobillas y anillos rozantes (deslizadores): permiten llevar corriente al rotor en los motores de corriente continua (CC) con rotor bobinado.
  5. Cojinetes o rodamientos: sostienen el eje y minimizan la fricción.
  6. Ventilador interno: enfriamiento del conjunto.
  7. Caja de bornes: puntos de conexión al circuito eléctrico.
b
Parte 1.b

Principio de funcionamiento

  1. Un conductor recorrido por corriente, dentro de un campo magnético, experimenta una fuerza magnética (fuerza de Laplace o de Lorentz): F = B \cdot I \cdot L \cdot \sin\theta donde B es la inducción magnética (T), I la corriente (A), L la longitud del conductor (m) y \theta el ángulo entre el conductor y el campo magnético.
  2. Si el ángulo entre el conductor y el campo es \theta = 90^\circ, entonces \sin 90^\circ = 1 y la fuerza es máxima: F_{max} = B \cdot I \cdot L.
  3. La dirección de la fuerza se determina con la regla de la mano izquierda de Fleming: índice = campo (de polo norte a polo sur), dedo medio = corriente, pulgar = fuerza (y por tanto el giro del rotor).
  4. El par motor (torque) es el producto de la fuerza por la distancia al eje, \tau = F \cdot r \cdot \sin\theta; al girar el rotor, el conmutador (o el campo variable) invierte la corriente en cada semiperíodo y el par sigue siendo en el mismo sentido.
  5. En el motor de corriente alterna de inducción, el campo giratorio del estator induce corrientes en el rotor (ley de Faraday) y este gira ligeramente más lento que el campo, con un deslizamiento s = \frac{n_s - n_r}{n_s} \times 100\%.
  6. En conversión energía eléctrica o energía mecánica vale la relación potencia: P = \tau \cdot \omega, con \omega la velocidad angular (rad/s).
c
Parte 1.c

Aplicaciones del motor eléctrico

  • Industria: taladro eléctrico, grúa, molino, ventilador industrial, bomba, cinta transportadora.
  • Transporte: automóvil eléctrico, tren eléctrico/metro, ascensor, dron.
  • Hogar: ventilador, lavadora, licuadora, aspiradora, compresor de refrigerador.
  • Renovables: aerogenerador (el motor funciona como generador), seguimiento solar.
  • Medicina y robótica: bombas de infusión, brazos robóticos, prótesis.
d
Parte 1.d

Línea de tiempo de los avances tecnológicos (mermaid)

timeline
    title Avances en el motor eléctrico
    1820 : Hans Christian Ørsted : Descubre el efecto magnético de la corriente eléctrica
    1821 : Michael Faraday : Construye el primer motor eléctrico (motor homopolar)
    1831 : Michael Faraday : Descubre la inducción electromagnética
    1834 : William Sturgeon : Perfecciona el electroimán de núcleo de hierro
    1837 : Thomas Davenport : Patenta un motor de CC para mover un carrito
    1871 : Zenobe Gramme : Motor generador capaz de funcionar como motor
    1888 : Nikola Tesla : Motor de inducción de corriente alterna polifásica
    1900 : Electrificación masiva : Motores de CC con escobillas en la industria
    1960 : Motores sin escobillas : Control electrónico y eficiencia elevada
    2010 : Motores de imanes permanentes : Automóviles eléctricos y eficiencia IE4/IE5
e
Parte 1.e

Estructura propuesta para la infografía (modelo del libro)

Sección de la infografía Contenido sugerido
Titular El motor eléctrico: del principio físico a la vida cotidiana
Encabezado Qué es un motor eléctrico y para qué sirve
Cuadro estadístico % de consumo eléctrico mundial destinado a motores (≈ 45-50 % según IEA)
Gráfico Distribución de motores según tipo (CC, CA de inducción, síncronos, sin escobillas)
Texto 1 Partes y función de cada una
Texto 2 Principio físico: F = B \cdot I \cdot L \cdot \sin\theta
Imagen central Corte del motor eléctrico con rótulos
Primer plano Detalle del rotor de jaula de ardilla y las escobillas
Línea de tiempo Hitos de 1820 a la actualidad (ver tabla superior)
Fuente y créditos Libro de Física de 3.º BGU, páginas 147-148, y consultas bibliográficas

Respuesta orientativa: el estudiante debe entregar una infografía en formato digital (Canva, Genially, PowerPoint u otra herramienta web) que integre al menos: titular, encabezado, un cuadro estadístico o gráfico, dos textos (partes y funcionamiento), una imagen central rótulada, un primer plano y una línea de tiempo. Debe citar la fuente utilizada.

2
Ejercicio 2

— Organizador gráfico: cuadro comparativo de los tipos de motor

Característica Motor de CC (con escobillas) Motor de CA de inducción Motor de CA síncrono
Campo magnético rotor Electroimán alimentado por escobillas Inducido por el campo giratorio del estator Imán permanente o electroimán
Velocidad n = \frac{V - I_a R_a}{k\phi}, regulable Ligera caída respecto a n_s (deslizamiento s) n = n_s = \frac{120 f}{p}, síncrona
Ventajas Gran control de velocidad y par Robusto, económico, poco mantenimiento Alta eficiencia y velocidad constante
Aplicaciones Tren, ascensor, vehículos eléctricos Bombas, ventiladores, compresores Energía renovable, compresores industriales
Respuesta

motor de CC: alta regulabilidad; CA de inducción: simplicidad y robustez; síncrono: eficiencia y velocidad constante.

3
Ejercicio 3

— Verificación del funcionamiento

  1. Se aplica I = 20 \, \text{A} a un conductor de L = 0{,}05 \, \text{m} dentro de un campo B = 0{,}8 \, \text{T} y perpendicular a él.
  2. Sustituyo: F = B \cdot I \cdot L = 0{,}8 \times 20 \times 0{,}05.
  3. Multiplico: F = 0{,}8 \times 1 = 0{,}8 \, \text{N}.
  4. Si el conductor está a r = 0{,}04 \, ext{m} del eje: \tau = F \cdot r = 0{,}8 \times 0{,}04 = 0{,}032 \, \text{N} \cdot \text{m}.
Respuesta

F = 0{,}8 \, \text{N} y \tau = 0{,}032 \, \text{N} \cdot \text{m}.

Contenido de la página

El motor eléctrico

Motor eléctrico con corte del rotor

Fuente imagen: https://h9.cl/bv28a

a) Investigo sobre el motor eléctrico, sus partes y funcionamiento. Sintetizo la información mediante un organizador gráfico o una infografía. Establezco aplicaciones, descubrimientos y una línea de tiempo de los avances tecnológicos.

Puedo guiarme en el modelo de la infografía presentado o generar una propia en aplicaciones web.

Modelo de infografía propuesto por el libro

La infografía se organiza en bandas: titular (rojo), encabezado (verde), cuadro estadístico y gráfico (azul y amarillo), dos cuadros de texto, imagen central con primer plano, línea de tiempo (naranja) y pie con fuente y créditos.

Fuente modelo: https://h9.cl/v0565t

Ejemplos resueltos

Un conductor de longitud L = 0{,}05 \, \text{m} recorrido por I = 20 \, \text{A} se ubica en un campo B = 0{,}8 \, \text{T}, perpendicular al conductor. Calcular la fuerza magnética y el par si está a r = 0{,}04 \, \text{m} del eje.

  1. F = B \cdot I \cdot L \cdot \sin 90^\circ = 0{,}8 \times 20 \times 0{,}05 \times 1 = 0{,}8 \, \text{N}.\n2. \tau = F \cdot r = 0{,}8 \times 0{,}04 = 0{,}032 \, \text{N} \cdot \text{m}.

Un motor de inducción funciona a f = 60 \, \text{Hz} con p = 4 polos y el rotor gira a n_r = 1710 \, \text{rpm}. Calcular n_s y s.

  1. n_s = \frac{120 f}{p} = \frac{120 \times 60}{4} = 1800 \, \text{rpm}.\n2. s = \frac{1800 - 1710}{1800} \times 100\% = 5\%.

Tabla

Parte Función
Carcasa y estator Soporte y alojo de las bobinas que generan el campo
Núcleos magnéticos Concentran el flujo magnético y reducen corrientes parásitas
Rotor Parte giratoria que entrega el par a la carga
Escobillas y anillos Llevan corriente al rotor en motores de CC bobinados
Cojinetes Sostienen el eje y minimizan la fricción
Ventilador y caja de bornes Refrigeración y conexión al circuito eléctrico
Sección de la infografía Contenido sugerido
Titular El motor eléctrico: del principio físico a la vida cotidiana
Encabezado Definición y propósito de la investigación
Cuadro estadístico Porcentaje del consumo eléctrico mundial destinado a motores
Gráfico Distribución según tipo de motor
Texto 1 y 2 Partes y principio físico
Imagen central y primer plano Corte del motor y detalle del rotor
Línea de tiempo Hitos 1820-2020
Fuente y créditos Libro de Física 3.º BGU y bibliografía consultada

Diagrama

flowchart LR
    E[Energía eléctrica] -->|Corriente I en conductores| M[Máquina eléctrica]
    M -->|Campo magnético B| M
    M --> Mec[Energía mecánica: par y giro]
    Mec --> C[Trabajo útil: bomba, ventilador, vehículo]
    M -.->|Si el rotor se mueve por una fuerza externa| G[Energía mecánica de entrada]
    G --> Elec[Energía eléctrica: generación]

flowchart TD
    A[Partes del motor eléctrico] --> B[Carcasa / Estator]
    A --> C[Rotor: armadura o jaula de ardilla]
    A --> D[Núcleos magnéticos de acero al silicio]
    A --> E[Escobillas y anillos rozantes]
    A --> F[Cojinetes / rodamientos]
    A --> G[Ventilador interno]
    A --> H[Caja de bornes]

Fórmulas y ecuaciones

Fuerza magnética sobre un conductor: F = B·I·L·sen θ

Par motor: τ = F·r

Potencia mecánica: P = τ·ω

Velocidad sincrónica de un motor de CA: n_s = 120f/p

Deslizamiento: s = (n_s − n_r)/n_s × 100 %

F = B \cdot I \cdot L \cdot \sin\theta

F_{max} = B \cdot I \cdot L

\tau = F \cdot r \cdot \sin\theta

P = \tau \cdot \omega

s = \frac{n_s - n_r}{n_s} \times 100%

n_s = \frac{120 \, f}{p}

n = \frac{V - I_a R_a}{k \, \phi}

Glosario (7)

Motor eléctrico
Máquina que transforma energía eléctrica en energía mecánica mediante la acción de un campo magnético sobre conductores portadores de corriente.
Estator
Parte fija del motor, compuesta por el núcleo magnético y las bobinas que generan el campo magnético.
Rotor
Parte giratoria del motor, que puede ser bobinado o de jaula de ardilla, y que transmite el par a la carga.
Escobillas
Elementos de grafito que mantienen contacto eléctrico con el rotor para llevarle corriente.
Par motor
Torque producido por la fuerza magnética alrededor del eje de giro: τ = F·r·sen θ.
Deslizamiento
Diferencia relativa entre la velocidad del campo sincrónico y la del rotor en un motor de inducción.
Infografía
Representación gráfica que integra datos, textos e imágenes para comunicar información de forma visual y sintética.

Preguntas para practicar

¿Qué es el motor eléctrico y cómo se relaciona con la fuerza magnética sobre un conductor?

Es una máquina que transforma energía eléctrica en mecánica. En el rotor (o estator) la corriente fluye por conductores ubicados en un campo magnético; sobre cada conductor actúa la fuerza F = B·I·L·sen θ, cuya dirección se obtiene con la regla de la mano izquierda de Fleming. La resultante de todas esas fuerzas produce el par que hace girar el motor.

¿Por qué el motor eléctrico es clave en la transición energética y qué aporta al plan de una infografía sobre el tema?

Los motores eléctricos consumen cerca de la mitad de la electricidad mundial y son el corazón de los vehículos eléctricos, los aerogeneradores, las bombas y los procesos industriales; su eficiencia y su control electrónico determinan el ahorro energético y la reducción de emisiones. En la infografía deben destacarse el titular, la imagen central rótulada, un cuadro o gráfico con datos de consumo y la línea de tiempo de sus avances.

Temas y conceptos clave

Motor eléctrico: partes y funciónPrincipio físico de acción del campo magnéticoTipos de motores (CC, CA de inducción, síncrono)Aplicaciones tecnológicas del motor eléctricoLínea de tiempo de los avances en máquinas eléctricasDiseño de infografías y organizadores gráficosestatorrotordevanadoescobillas y anillos rozantesjaula de ardillafuerza de Laplace (fuerza de Lorentz)par motor (torque)campo giratoriodeslizamientomotor homopolar

Fuentes y referencias

  • https://h9.cl/bv28a
  • https://h9.cl/v0565t
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Figuras de la página (1)

Modelo de estructura de infografía con bandas de color: titular (rojo), encabezado (verde), cuadro estadístico (celeste), gráfico (amarillo), dos cuadros de texto, imagen central con primer plano, línea de tiempo (naranja) y pie con fuente y créditos; se superpone un lápiz amarillo con borrador.
Figura 2 image

Preguntas que la gente también hace

¿Cuáles son las partes de un motor eléctrico y para qué sirve cada una?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Cómo se calcula la fuerza que experimenta un conductor recorrido por corriente en un campo magnético?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Qué es el deslizamiento en un motor de inducción y por qué es importante?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
📌 Antes de leer esto
  • • Ley de Ørsted y dirección de los campos magnéticos
  • • Regla de la mano derecha de la fuerza y fuerza magnética F = B·I·L·senθ
  • • Ley de Faraday y campo magnético
  • • Unidades SI: tesla, amperio, newton, vatio, metro y rad/s
  • • Transformación de energía eléctrica en energía mecánica
Siguiente tema sugerido
Generadores eléctricos: principio inverso del motor eléctrico y generación de energía eléctrica a partir de energía mecánica.
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 459 caracteres

Fuente: https://n9.cl/bv28a

a) Investigo sobre el motor eléctrico, sus partes y funcionamiento. Sintetizo la información mediante un organizador gráfico o una infografía. Establezco aplicaciones, descubrimientos y una línea de tiempo de los avances tecnológicos.

Puedo guiarme en el modelo de la infografía presentado o generar una propia en aplicaciones web.

IMAGEN CENTRAL

PRIMER PLANO

FUENTE CRÉDITOS

Fuente: https://n9.c/0565t

Texto de Física \ 447

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