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miércoles, 6 de junio de 2012

"Martillo electromagnético"


Hola Juanlu:
 
   en este primer enlace puedes ver el comentario sobre el"martillo electromagnético" usado por los mineros, en el foro "Concienciacción":
 
 
 
Te "copio y pego" aquí en el texto de este correo, la respuesta que interesa, no vaya a ser que algún día borren este hilo; se trata de la intervención número 8:
 
 

 Re: Un Resistor Negativo Práctico

Mensaje por ciencia el 19/2/2010, 10:48
A pedido de Munetaka acá va una variante de este resistor negativo.

Se trata del no mucho conocido "Martillo electromagnético" que combina energía electromagnética con la gravedad como se aprecia en el siguiente esquema:



Se han encontrado muchas variantes de este sistema de energía libre, por ejemplo, linternas usadas en minería que quedaron enterradas por más de 30 años por derrumbes y se desenterraron con el mecanismo moviéndose sin parar

Este aparato trabaja verticalmente y consiste en un par de bobinas por dentro de las cuales se mueve un núcleo de hierro a modo de pistón, dicho núcleo sobresale de la estructura con otra barra más pequeña a fin de mover algo exterior y no necesariamente golpear algún otro objeto.

Inicialmente, sin corriente en los bobinados, el núcleo queda por su propio peso apoyado en el fondo de la estructura y la inductancia vista por los terminales de cualquier bobina es mínima, si aplicamos una corriente a la bobina en naranja, como bobina primaria del sistema, el núcleo ferroso va a empezar a subir por la estructura hasta detenerse en un punto de equilibrio, conforme sube, la inductancia del sistema comienza a subir también, ese cambio de flujo magnético interno provoca una inducción de voltaje en la bobina secundaria de color amarillo, y de paso, este núcleo se magnetiza como si fuese un imán, una vez conseguido el equilibrio, y la inductancia al máximo del sistema, se suspende la corriente y ahora el núcleo cae por su propio peso golpeando fuertemente el fondo de la estructura, mientras cae, como está magnetizado el núcleo, induce nuevamente en la salida un voltaje, repitiéndose esto cíclicamente. Ese golpe de la caída por su propio peso del núcleo se puede usar para fines de martillo, pero,puede usarse para otros fines como es mover un generador, hay otras cosas más como topes de goma en el fondo y arriba para aliviar el impacto, perforaciones para dejar entrar y salir el aire y un ajuste manual superior para controlar el recorrido del núcleo

Si bien parece un electroimán común, los comunes tienen núcleo no móvil sin aire, éste es móvil y con aire, la corriente a aplicar puede ser continua o alterna, pero se recomienda continua a fin de que las pérdidas en el hierro por corrientes parásitas e histéresis y sobrecalentamiento no bajen el rendimiento del sistema.

El resistor negativo, y la energía extra la tenemos acá en dos agentes, el primero es justamente el cambio de inductancia, conforme empieza a entrar el núcleo en la bobina la inductancia empieza a subir, lo que provoca como consecuencia de todo circuito RL serie que la corriente en vez de seguir subiendo o mantenerse alta se baje, ese hecho tiene como consecuencia evidente un aumento de energía extra en el sistema, y luego, al cortarse la corriente, la gravedad nos entrega más energía, esa energía gravitacional es equivalente a la magnética que ganó el sistema al subirse su inductancia, energía que se aprovecha mecánicamente para realizar un trabajo.

La energía extra la podemos recolectarde dos formas, una es eléctricamente poniendo la bobina secundaria en amarillo que va a recolectar la energía eléctrica invertida sumada a la extra la que puede ser devuelta al proceso para dejar todo autoalimentado, o bien, mecánicamente dejando que el elemento móvil mueva un generador y luego tomemos parte de esa energía para autosostener el sistema

A fin de evaluar esto en forma más detallada y entenderlo mejor, busquemos una expresión para el cambio de inductancia de este sistema que es mucho más simple de estimar que para una bobina de núcleo fijo en saturación, vamos a asumir que el campo magnético generamos no satura al núcleo móvil en ningún momento y estamos trabajando en la zona lineal de máxima permeabilidad:

La inductancia de una bobina de núcleo de aire de 1 capa es aproximadamente:

L = ka * N * A / d

Siendo ka la permeabilidad magnética absoluta del aire, N el número de vueltas en la bobina, A su sección y d el largo de la misma

El flujo magnético es L * i, siendo i la corriente aplicada

Si asumimos para fines de cálculo que el núcleo tiene simetría cilíndrica y al entrar abarca toda la sección transversal de la bobina vemos se forman 2 bobinas al entrar el núcleo, una con núcleo de aire y otra con núcleo ferroso, para evaluar ambas bobinas necesitamos considerar lo siguiente:

Una densidad lineal de vueltas uniforme N / d

De esta forma, podemos decir que la bobina de núcleo ferroso al entrar una altura x en la bobina tiene asociada las siguientes vueltas:

N(x) = N / d * x

Como el flujo magnético en la bobina de núcleo de aire es cientos de veces menor al flujo en la bobina de núcleo ferroso podemos despreciar el aporte de flujo magnético de esa bobina, de esa forma, la inductancia de la bobina de núcleo ferroso será la inductancia total del sistema y se obtiene reemplazando en la expresión anterior N por N(x):

L(x) = kh * N * A * x / d2 = k * x

Siendo ahora kh la permeabilidad absoluta del hierro del material magnético

Como N,A y d son constantes, todo se puede dejaren función de una sola constante

Claramente, la inductancia crece con el tiempo, pero como no sabemos la forma crece, necesitamos recurrir a la ecuación del circuito RL serie formado para deducir cómo cambia y cómo deducir la ganancia o condiciones óptimas de funcionamiento de este sistema.

A corriente continua la ecuación queda:

V = R*i + L * di/dt + i * dL/dt

R es la resistencia de la bobina sumada a la resistencia interna de la fuente de voltaje V

Reemplazando y ordenando los términos nos queda:

V = ( R + k * dx/dt )*i + k*x * di/dt

Vemos ahora, al igual que en post anterior, que tenemos una nueva resistencia adicionada en serie al circuito y que vale:

Rad = k * dx/dt = k * u

Siendo u la rapidez instantánea con que sube el núcleo ferroso

Si bien tenemos ahora un resistor adicional positivo, lo especial ahora es que esto nos dice que la fuente continua experimenta un descenso brusco de la corriente conforme el hierro sube, cosa ya antes por la experiencia sabíamos, y esto significa que el consumo de la fuente continua se reduce bastante o que no sacamos energía significativa, especialmente si Rad toma valores grandes en el proceso, pero al mismo tiempo no solo se empieza a acumular y aumentar energía en el inductor sino que el campo magnético está realizando un trabajo es levantar el pesado núcleo ferroso para introducirlo totalmente dentro de la bobina, y la inductancia va subiendo desde cero hasta su valor máximo L, y terminamos con un circuito común RL serie en donde la energía magnética acumulada en el inductor es superior a la energía sacamos de la fuente continua para generar la corriente.

Para simplificar más aún el análisis, vamos a suponer tenemos un controlador que permite que el núcleo ferroso suba con rapidez constante u, en ese caso la solución de la ecuación diferencial queda:




Siendo C una constante siempre positiva, la que no es muy simple de evaluar pues la única condición inicial válida es que para t = 0 seg, tenemos una corriente dada por las resistencias R + k*u sin inductancia, pero en ese instante tenemos una discontinuidad en la ecuación, sin embargo, podemos ver cosas bien especiales como lo es que por ejemplo, si la resistencia adicional k*u supera bastante a la resistencia de la bobina el exponente de t queda como -1, lo que nos dice que entre t=0 y un cierto tiempo inicial la corriente se hace negativa, vale decir, se entrega potencia a la fuente y dicha corriente inversa puede tomar valores muy grandes, luego cruza por cero otra vez hasta estacionarse en un leve tiempo en el valor de equilibrio final:

i = V /(R + k*u )

Que es el mismo inicial había para t=0

En fin , el lector puede evaluar ganancias, potencias y energías para un buen diseño de este simple dispositivo que es un muy buen ejemplo de sistema paramétrico estabamos comentando al principio del resistor negativo. Falta una ecuación que es la que condiciona podamos mover o levantar el núcleo ferroso pues con una corriente de 1 micro-ampere no lo vamos a poder hacer, por ello hemos asumido que el recorrido x del mismo puede ser el máximo d y que se da esa condición

Sin duda podemos tener acá un resistor negativo cuando el núcleo en vez de subir baja, ya sea porque la corriente es alterna o bien se disminuye su intensidad, pero como son casos ya más elaborados hemos solo acá analizado lo esencial

Si se quiere hacer trabajar el dispositivo horizontalmente se puede poner un resorte obligue al núcleo ferroso a salirse de la bobina

Ed Laskanin comenta este tipo de dispositivos, en especial el martillo acá comentado, solo que como en su tiempo no tenía referencias de sistemas paramétricos lo explicaba en sus términos de corriente magnética para justificar la energía libre, siendo que es mucho más simple verlo como el aporte energético de los propios dipolos magnéticos del núcleo ferroso


Saludos afectuosos a todos
 
 
El segundo enlace en el que podías ver el vehículo de la casa Shell construído en 1973, adquirido por un coleccionista, no tengo manera de encontrarlo después de más de 1 hora de búsqueda; en el momento en que lo encuentre, te lo envío.
 
  Un abrazo:
 
  Manolo