Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
El fenomeno de la inducción electromagnética, donde un campo magnético variable en el tiempo genera una corriente eléctrica en un circuito. Se presenta la ley de Faraday-Lenz y el concepto de flujo magnético, que es necesario para calcular el flujo de campo magnético a través de una superficie. Se incluyen ejemplos y casos específicos para mejorar la comprensión.
Tipo: Diapositivas
1 / 10
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
I g Ig nn aa cc ii oo TT aa bb aa rr ee ss J u Ju aa nn FF aa rr ii nn aa
Inducción electromagnética
En capítulos anteriores estudiamos como una distribución de carga (estática) genera un campo eléctrico, cuya propiedad más importante, es que se trata de un campo conservativo. Luego mediante dispositivos que convierten energía química a eléctrica (por ejemplo una batería), conseguíamos que en un circuito compuesto de resistencias, y quizás otros elementos, circule corriente Estos dispositivos, capaces de entregar energía eléctrica, los denominamos fem (fuerza electromotriz) , y estaban definidos por el trabajo, que hacía el dispositivo, por unidad de carga.
En este capítulo estudiaremos como podemos generar una fem pero de origen magnético. En conclusión, se verá bajo que condiciones, un campo magnético, puede generar un campo eléctrico capaz de movilizar cargas libres dentro de un conductor.
Sin duda, este tema, es uno de los más importantes en toda la física. Sin embargo existen dos razones que es necesario destacar: toda la producción de energía eléctrica actual, se basa en dispositivos que trabajan mediante el principio de inducción electromagnética (salvo, claro está, la creada por baterías, pilas, etc.). La segunda razón es que la creación de un campo eléctrico a partir de un campo magnético, justifica, junto con la Ley de Ampère-Maxwell, la existencia de Ondas Electromagnéticas, soporte, hoy día, para todos los fenómenos de transmisión de información: radio, TV, Internet, teclados inalámbricos, etc.
Se presentará la ley de Faraday-Lenz, que describe la fem inducida en un circuito a partir de un campo magnético variable en el tiempo. Esta ley describe, además, que los campos eléctricos inducidos, mediante campos magnéticos variables, son no conservativos.
1. Flujo Magnético
Antes de comenzar a describir la ley de Faraday, necesitamos comprender el concepto de flujo. Imaginemos, en primer medida, un ventilador que crea una corriente de aire y en frente se coloca un molinete, tal como muestra la Figura 1.
Figura 3. Flujo magnético a través de una superficie.
En este caso el flujo del campo magnético, podrá ser calculado como:
Es posible definir un vector llamado “ vector superficie ”, tal como se muestra en la Figura 4. Su dirección es siempre perpendicular a la superficie y su módulo coincide con el área: S A Figura 4
De esta forma el flujo magnético a través de una superficie arbitraria puede escribirse como el producto escalar entre el campo magnético B y
situación planteada.
Así el flujo magnético queda determinado por: BS (1)
Figura 5. Flujo magnético a través de una superficie
La unidad del flujo magnético será:
Si el campo no es uniforme, o la superficie no es plana, no podremos aplicar la expresión (1) para calcular el flujo. Por otro lado, muchas veces será necesario calcular el flujo magnético que atraviesa un conductor, por ejemplo, una espira.
Si el campo magnético, o el área, varía en el tiempo, se puede observar que tendremos un flujo variable en el tiempo.
2. Ley de Faraday-Lenz y Corrientes Inducidas.
En 1831, Michael Faraday demostró experimentalmente que se produce, mediante el fenómeno de inducción, una corriente eléctrica en un circuito cuando se lo somete a la acción de un campo magnético que varía con el tiempo. Además, la corriente “ inducida ” circula por el circuito, siempre y cuando, exista la variación del campo magnético. Esto se puede expresar de la siguiente forma: “ Si se induce una corriente , en un circuito, podremos suponer que, en el circuito, ha aparecido un generador de corriente, o bien, en el circuito se ha generado una fem inducida ”
La fem inducida está asociada a la variación del flujo magnético a través del circuito, y su valor está determinado por la ley de Faraday. Por lo tanto, un campo magnético variable induce una fem.
Es posible hacer una serie de experiencias que demuestran estas descripciones realizadas por Faraday. La Figura 6 muestra una experiencia que consiste en una espira cuyos extremos están conectados a un amperímetro para detectar la circulación de corriente. Con este instrumento podremos detectar si hay corriente inducida.
Figura 6. Un imán se lo mueve cerca de una espira. En. (a) el imán se lo mueve hacia arriba y en (b) hacia abajo la hora. En (c) el imán se encuentra inmóvil.
En el caso (a) el imán se está moviendo hacia arriba de la hoja, el aumento de flujo sobre la espira, produce una corriente inducida en el circuito que detecta el instrumento. Note la lectura del instrumento, quién acusa un valor positivo de corriente. Sin embargo cuando el imán se mueve hacia abajo, caso (b), el flujo que
Vale observar como la existencia de N vueltas, genera un efecto multiplicador en la fem inducida, y por lo tanto, en la corriente inducida en el circuito.
Ahora bien, ¿bajo qué condiciones podría variar el flujo en un circuito? Existen tres causas, que estudiaremos en este curso, que podrían generar un flujo variable, éstas son:
y la fem inducida como:
( cos ) (^) cos ind N BS^ NS B t t
( cos ) ind cos
BS S N NB t t
( cos ) (cos ) ind
BS N NBS t t
En cualquiera de los tres casos estudiados, existirá una fem inducida en el circuito y, por ende, una corriente inducida (si se constituye un circuito cerrado). Las diversas aplicaciones tecnológicas que trabajan mediante este principio físico, usan algún mecanismo relacionado con algunos de éstos tres casos para producir una variación de flujo magnético.
Por ejemplo las antenas para la recepción de TV o de FM funcionan gracias al primer caso, mediante campos electromagnéticos variables en el espacio. En cambio los generadores de corriente alterna basan su funcionamiento en que las espiras que lo conforman roten, por la acción de una fuerza mecánica, en el campo magnético producido por un imán, que se corresponde con el caso 3.
Figura 7. Un generador de corriente basa su principio de funcionamiento en la inducción electromagnética****. La fuerza mecánica (producida por el movimiento hidráulico, eólico, etc) produce una variación de flujo en la espira, lo que genera una fem inducida y, por último, una corriente circulante.
5) Se hace una bobina con 100 vueltas de alambre de cobre asilado, enrolladas sobre un cilindro de hierro cuya sección transversal es de 0,001 m^2 y se conecta con una resistencia. La resistencia total en el circuito es de 10 Ω. Si la inducción magnética longitudinal en el hierro cambia de 1 weber/m^2 en un sentido a 1 weber/m^2 en sentido contrario, ¿Qué cantidad de carga fluye por el circuito?
6) 50 espiras apretadas rectangulares conforman un bobinado, que se encuentra sobre una mesa, colocadas horizontalmente de modo que las atraviesa un campo magnético uniforme de 10^4 G. Las espiras tienen las dimensiones de 5cm por 10 cm. Si en un intervalo de tiempo de 10 s pasan de la posición horizontal a una posición que forma un ángulo de 30º con la horizontal, explica que sucede y calcula la fem inducida. Si la resistencia del bobinado es de 10Ω ¿cuál será la corriente inducida en la bobina?
7) La figura muestra una barra conductora de longitud l y de resistencia R. La misma está sumergida en un campo magnético uniforme B. En un determinado momento la barra se mueve hacia la derecha de la hoja con velocidad v.
a) Explica y cuantifica que sucede sobre la barra cuando ésta se desliza sobre rieles hacia la derecha con velocidad constante v. b) Si se unen los puntos a y b por un alambre conductor, se establece una corriente inducida. c) Suponiendo que l= 30 cm, R = 10Ω, B= 0,1 weber/ m^2 y la velocidad de 10 m/s, calcula la fem inducida y la corriente inducida en el circuito.
8) Al unir los puntos a y b por un cable conductor, la barra del problema anterior desliza sin rozamiento por la guía metálica de ancho 30 cm formando un circuito cerrado. Supone ahora que el campo magnético apunta hacia afuera del papel.. Calcular: a. La magnitud y sentido de la fem inducida en la barra cuando se mueve hacia la derecha a una velocidad de 10 m/s. b. La fuerza necesaria para mantener la barra en movimiento con la velocidad de 10 m/s. c. La energía mecánica cedida al circuito por unidad de tiempo y la energía disipada en forma de calor por segundo en la resistencia del circuito.
9) Un tren se mueve sobre rieles separados 1,6 m a una velocidad de 300 km/h. si la componente vertical del campo magnético terrestre es de 0,37 G. calcular la fem inducida en los ejes de la rueda.
