Un freno de corrientes de Foucault , también conocido como freno de inducción , freno de Faraday , freno eléctrico o retardador eléctrico , es un dispositivo utilizado para ralentizar o detener un objeto en movimiento generando corrientes de Foucault y disipando así su energía cinética en forma de calor. A diferencia de los frenos de fricción , donde la fuerza de arrastre que detiene el objeto en movimiento es proporcionada por la fricción entre dos superficies presionadas entre sí, la fuerza de arrastre en un freno de corrientes de Foucault es una fuerza electromagnética entre un imán y un objeto conductor cercano en movimiento relativo, debido a corrientes de Foucault inducidas en el conductor a través de inducción electromagnética .
Una superficie conductora que se mueve frente a un imán estacionario desarrolla corrientes eléctricas circulares llamadas corrientes de Foucault inducidas en ella por el campo magnético , como se describe en la ley de inducción de Faraday . Según la ley de Lenz , las corrientes circulantes crean su propio campo magnético que se opone al campo del imán. De este modo, el conductor en movimiento experimenta una fuerza de arrastre del imán que se opone a su movimiento, proporcional a su velocidad. La energía cinética del objeto en movimiento se disipa en forma de calor generado por la corriente que fluye a través de la resistencia eléctrica del conductor.
En un freno de corrientes de Foucault, el campo magnético puede ser creado por un imán permanente o un electroimán . Con un sistema de electroimán, la fuerza de frenado se puede activar y desactivar (o variar) variando la corriente eléctrica en los devanados del electroimán. Otra ventaja es que, dado que el freno no funciona por fricción , no hay superficies de zapatas de freno que se desgasten , lo que elimina el reemplazo como ocurre con los frenos de fricción. Una desventaja es que, dado que la fuerza de frenado es proporcional a la velocidad relativa del freno, el freno no tiene fuerza de retención cuando el objeto en movimiento está estacionario, como la que proporciona la fricción estática en un freno de fricción, por lo que en los vehículos debe complementarse con un freno de fricción.
En algunos casos, la energía en forma de momento almacenada en un motor u otra máquina se utiliza para activar los electroimanes involucrados. El resultado es un motor u otra máquina que se detiene rápidamente cuando se corta la energía. En tales diseños se debe tener cuidado para garantizar que los componentes involucrados no se estresen más allá de los límites operativos durante dicha desaceleración, que puede exceder en gran medida las fuerzas de aceleración de diseño durante el funcionamiento normal.
Los frenos de corrientes de Foucault se utilizan para reducir la velocidad de trenes de alta velocidad y montañas rusas , como complemento de los frenos de fricción en camiones semirremolque para ayudar a prevenir el desgaste y el sobrecalentamiento de los frenos, para detener herramientas eléctricas rápidamente cuando se corta la energía y en medidores eléctricos utilizados por empresas de servicios eléctricos.
Un freno de corrientes de Foucault consiste en una pieza de metal conductora, ya sea una barra recta o un disco, que se mueve a través del campo magnético de un imán, ya sea un imán permanente o un electroimán . Cuando se mueve más allá del imán estacionario , el imán ejerce una fuerza de arrastre sobre el metal que se opone a su movimiento, debido a corrientes eléctricas circulares llamadas corrientes de Foucault inducidas en el metal por el campo magnético . Nótese que la lámina conductora [?] no está hecha de metal ferromagnético como hierro o acero; generalmente se utilizan cobre o aluminio, que no son atraídos por un imán. El freno no funciona por la simple atracción de un metal ferromagnético hacia el imán.
Vea el diagrama a la derecha. Muestra una lámina metálica (C) moviéndose hacia la derecha bajo un imán. El campo magnético ( B, flechas verdes ) del polo norte N del imán pasa hacia abajo a través de la lámina. Como el metal se está moviendo, el flujo magnético a través de la lámina está cambiando. En la parte de la lámina debajo del borde delantero del imán (lado izquierdo), el campo magnético a través de la lámina aumenta a medida que se acerca al imán. Según la ley de inducción de Faraday , este campo induce un flujo de corriente eléctrica en sentido antihorario ( I, rojo ) en la lámina. Esta es la corriente de Foucault. Por el contrario, en el borde trasero del imán (lado derecho), el campo magnético a través de la lámina disminuye, lo que induce una corriente de Foucault en el sentido de las agujas del reloj en la lámina.
Otra forma de entender la acción es ver que los portadores de carga libres ( electrones ) en la lámina metálica se están moviendo hacia la derecha, por lo que el campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre ellos debido a la fuerza de Lorentz . Dado que la velocidad v de las cargas es hacia la derecha y el campo magnético B se dirige hacia abajo, de la regla de la mano derecha la fuerza de Lorentz sobre cargas positivas q v × B es hacia atrás en el diagrama (hacia la izquierda cuando se mira en la dirección del movimiento de la lámina). Esto provoca una corriente I hacia atrás debajo del imán, que circula a través de partes de la lámina fuera del campo magnético en dos corrientes, en el sentido de las agujas del reloj hacia la derecha y en el sentido contrario a las agujas del reloj hacia la izquierda, hacia el frente del imán nuevamente. Los portadores de carga móviles en el metal, los electrones , en realidad tienen una carga negativa, por lo que su movimiento es opuesto en dirección a la corriente convencional mostrada.
Como se describe en la ley circuital de Ampere , cada una de estas corrientes circulares crea un campo magnético contrario ( flechas azules ), que de acuerdo con la ley de Lenz se opone al cambio en el campo magnético, provocando una fuerza de arrastre sobre la lámina que es la fuerza de frenado ejercida por el freno. En el borde delantero del imán (lado izquierdo), por la regla de la mano derecha , la corriente en sentido antihorario crea un campo magnético que apunta hacia arriba, que se opone al campo del imán, provocando una fuerza repulsiva entre la lámina y el borde delantero del imán. Por el contrario, en el borde trasero (lado derecho) , la corriente en el sentido de las agujas del reloj provoca un campo magnético que apunta hacia abajo, en la misma dirección que el campo del imán, creando una fuerza de atracción entre la lámina y el borde trasero del imán. Ambas fuerzas se oponen al movimiento de la lámina. La energía cinética que se consume para superar esta fuerza de arrastre se disipa en forma de calor por las corrientes que fluyen a través de la resistencia del metal, por lo que el metal se calienta debajo del imán.
La fuerza de frenado de un freno de corrientes parásitas es exactamente proporcional a la velocidad V , por lo que actúa de manera similar a la fricción viscosa en un líquido. La fuerza de frenado disminuye a medida que disminuye la velocidad. Cuando la lámina conductora está estacionaria, el campo magnético a través de cada parte de ella es constante y no cambia con el tiempo, por lo que no se inducen corrientes parásitas y no hay fuerza entre el imán y el conductor. Por lo tanto, un freno de corrientes parásitas no tiene fuerza de retención.
Los frenos de corrientes de Foucault vienen en dos geometrías:
El principio de funcionamiento físico es el mismo para ambos.
Los frenos electromagnéticos de disco se utilizan en vehículos como trenes y herramientas eléctricas como sierras circulares , para detener la hoja rápidamente cuando se apaga la energía. Un freno de disco por corrientes de Foucault consiste en un disco de metal conductor no ferromagnético ( rotor ) unido al eje de la rueda del vehículo, con un electroimán ubicado con sus polos a cada lado del disco, de modo que el campo magnético pasa a través del disco. El electroimán permite variar la fuerza de frenado. Cuando no pasa corriente a través del devanado del electroimán, no hay fuerza de frenado. Cuando el conductor pisa el pedal del freno, la corriente pasa a través de los devanados del electroimán, creando un campo magnético. Cuanto mayor sea la corriente en el devanado, mayores serán las corrientes de Foucault y más fuerte la fuerza de frenado. Los frenos de herramientas eléctricas utilizan imanes permanentes , que se mueven adyacentes al disco mediante un enlace cuando se apaga la energía. La energía cinética del movimiento del vehículo se disipa en forma de calentamiento Joule por las corrientes parásitas que pasan a través de la resistencia del disco, por lo que, al igual que en los frenos de disco de fricción convencionales, el disco se calienta. A diferencia del freno lineal que se muestra a continuación, el metal del disco pasa repetidamente a través del campo magnético, por lo que los frenos de disco por corrientes parásitas se calientan más que los frenos de disco por corrientes parásitas lineales.
Los trenes Shinkansen japoneses habían empleado un sistema de frenos de corrientes de Foucault circulares en los vagones de remolque desde el Shinkansen de la Serie 100. El Shinkansen de la Serie N700 abandonó los frenos de corrientes de Foucault en favor de los frenos regenerativos , ya que 14 de los 16 vagones del tren utilizaban motores eléctricos. En los frenos regenerativos, el motor que impulsa la rueda se utiliza como generador para producir corriente eléctrica, que se puede utilizar para cargar una batería, lo que permite reutilizar la energía.
La mayoría de los dinamómetros de chasis y muchos dinamómetros de motor utilizan un freno de corrientes parásitas como medio para proporcionar una carga ajustable eléctricamente al motor. En estas aplicaciones, se los suele denominar "absorbedores".
Las versiones económicas refrigeradas por aire se utilizan normalmente en los dinamómetros de chasis, donde sus rotores de acero de inercia inherentemente alta son una ventaja más que una desventaja. Por el contrario, los dinamómetros de motor de alto rendimiento tienden a utilizar configuraciones refrigeradas por líquido de baja inercia y altas RPM. Las desventajas de los absorbedores de corrientes parásitas en tales aplicaciones, en comparación con los costosos dinamómetros basados en motores de CA, es su incapacidad para proporcionar carga a velocidad de pérdida (cero RPM) o para impulsar el motor, para arrancar o impulsar (simulación de descenso).
Como en realidad no absorben energía, es necesario disponer de medios para transferir el calor irradiado fuera de la zona de la celda de prueba. Un intercambiador de calor de agua a aire o de ventilación de gran volumen añade un coste y una complejidad adicionales. Por el contrario, los dinamómetros de motor de CA de alta gama devuelven de forma limpia la potencia del motor a la red.
Los frenos de corrientes de Foucault lineales se utilizan en algunos vehículos ferroviarios, como los trenes. Se utilizan en las montañas rusas para detener suavemente los vagones al final del recorrido.
El freno de corrientes de Foucault lineal consiste en un yugo magnético con bobinas eléctricas colocadas a lo largo del raíl, que se magnetizan alternadamente como polos magnéticos sur y norte. Este imán no toca el raíl, sino que se mantiene a una pequeña distancia constante del raíl de aproximadamente 7 mm (el freno de corrientes de Foucault no debe confundirse con otro dispositivo, el freno magnético, que ejerce su fuerza de frenado por fricción de una zapata de freno con el raíl). (A diferencia de los frenos mecánicos, que se basan en la fricción y la energía cinética, los frenos de corrientes de Foucault se basan en el electromagnetismo para detener el movimiento de los objetos). Funciona de la misma manera que un freno de corrientes de Foucault de disco, al inducir bucles cerrados de corrientes de Foucault en el raíl conductor, que generan campos magnéticos contrarios que se oponen al movimiento del tren.
La energía cinética del vehículo en movimiento se convierte en calor por la corriente de Foucault que fluye a través de la resistencia eléctrica del raíl, lo que provoca un calentamiento del raíl. Una ventaja del freno lineal es que, dado que cada sección del raíl pasa solo una vez por el campo magnético del freno, a diferencia del freno de disco en el que cada sección del disco pasa repetidamente por el freno, el raíl no se calienta tanto como un disco, por lo que el freno lineal puede disipar más energía y tener una potencia nominal más alta que los frenos de disco.
El freno de corrientes de Foucault no tiene contacto mecánico con el raíl, por lo que no se desgasta y no produce ruido ni olor. El freno de corrientes de Foucault no se puede utilizar a bajas velocidades, pero se puede utilizar a altas velocidades para el frenado de emergencia y el frenado de servicio. [1]
La ETI ( Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad ) de la UE para el ferrocarril transeuropeo de alta velocidad recomienda que todas las líneas de alta velocidad de nueva construcción permitan el freno de Foucault.
Las montañas rusas modernas utilizan este tipo de frenado. Para evitar el riesgo que suponen los cortes de electricidad , utilizan imanes permanentes en lugar de electroimanes, por lo que no necesitan una fuente de alimentación. Esta aplicación carece de la posibilidad de ajustar la fuerza de frenado con tanta facilidad como con los electroimanes.
En la enseñanza de la física, a veces se utiliza un experimento sencillo para ilustrar las corrientes parásitas y el principio del frenado magnético. Cuando se deja caer un imán potente por una tubería vertical, no ferrosa y conductora, se inducen corrientes parásitas en la tubería, que retardan el descenso del imán, de modo que cae más lentamente que si estuviera en caída libre. Como explicó un grupo de autores
Si se considera el imán como un conjunto de corrientes atómicas circulantes que se mueven a través del tubo, la ley de Lenz implica que los remolinos inducidos en la pared del tubo circulan en sentido contrario al del imán en movimiento y circulan en paralelo detrás de él, pero esto implica que el imán en movimiento es repelido por delante y atraído por detrás, por lo que actúa sobre él una fuerza retardadora. [2]
En experimentos típicos, los estudiantes miden el tiempo más lento de caída del imán a través de un tubo de cobre en comparación con un tubo de cartón, y pueden usar un osciloscopio para observar el pulso de corriente de Foucault inducido en un bucle de alambre enrollado alrededor del tubo cuando el imán cae. [3] [4]
