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Fuerza Electromotriz Inducida y Ondas Electromagnéticas - Profesora Marta Rojo - Prof. Roj, Apuntes de Óptica

Universidad de Murcia (UM)Óptica
Prof. Marta Rojo Martínez

Información sobre la fuerza electromotriz inducida y las ondas electromagnéticas. Se abordan conceptos básicos como la fuerza electromotriz inducida, el flujo magnético y la aplicación de corrientes induidas en espiras conductores. Además, se discuten los orígenes históricos de la comprensión de las ondas electromagnéticas, desde las observaciones de faraday hasta la teoría de maxwell y la confirmación experimental de hertz.

Tipo: Apuntes

2012/2013

Subido el 24/10/2013

mariaopt
mariaopt 🇪🇸

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1º GOO. Profesora Marta Rojo
TEMA 9. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. LUZ
Tema 9. Ondas EM. Luz
2
RESUMEN IDEAS FUNDAMENTALES
Wilson&Buffa cap 20 y 22 (WB)
Serway&Jewett cap 9, 10, 12, 13, 15 y16
(SJ)
O cualquier texto de Física General del
mismo nivel
1º GOO. Profesora Marta Rojo
BIBLIOGRAFÍA
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1 1º GOO. Profesora Marta Rojo

TEMA 9. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. LUZ

Tema 9. Ondas EM. Luz 2

RESUMEN IDEAS FUNDAMENTALES

 Wilson&Buffa cap 20 y 22 (WB)

 Serway&Jewett cap 9 , 10 , 12 , 13 , 15 y 16

(SJ)

 O cualquier texto de Física General del

mismo nivel

1º GOO. Profesora Marta Rojo

BIBLIOGRAFÍA

1º GOO. Profesora Marta Rojo 3 CONTENIDOS

1. Fuerza Electromotriz Inducida

− Experimento de Faraday − Flujo Magnético − Ley de Faraday-Lenz − Aplicaciones

2. Ondas Electromagnéticas

− Naturaleza de la luz − Ondas Electromagnéticas Planas − Energía de las Ondas EM − Polarización − Espectro Electromagnético − Reflexión y Refracción − Interferencia − Difracción Tema 9. Ondas EM. Luz 1º GOO. Profesora Marta Rojo 4

  1. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA Experimento de Faraday

1º GOO. Profesora Marta Rojo 7

  1. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA Ley de Faraday-Lenz (s. XIX)

 La fem inducida en un circuito depende de la rapidez de cambio del flujo

magnético a través del circuito.

 La corriente inducida produce a su vez un campo magnético inducido

que se opone al cambio de flujo magnético que tiene lugar

Unidad S.I. Voltio

Tema 9. Ondas EM. Luz 1º GOO. Profesora Marta Rojo 8

  1. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA APLICACIÓN: CORRIENTE INDUCIDA EN UNA ESPIRA CONDUCTORA MEDIANTE UN IMÁN DE BARRA

1º GOO. Profesora Marta Rojo 9

  1. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA

¿Cómo podría mejorar el sistema para obtener

corrientes eléctricas mayores?

[WB, Ejemplo 20.2]

¿Cómo orientaría el plano de una espira para

que la corriente inducida sea máxima?

APLICACIÓN: CORRIENTE INDUCIDA EN UNA ESPIRA

CONDUCTORA BAJO LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

ELÉCTRICA

Tema 9. Ondas EM. Luz 1º GOO. Profesora Marta Rojo 10

  1. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA IMPORTANTE APLICACIÓN: EL ALTERNADOR (Generador de corriente alterna) Si giramos una espira conductora en el seno de un campo magnético, el flujo de B cambia con el tiempo y se induce en ella una fuerza electromotriz :  Cuya polaridad se invierte cada medio periodo dando lugar a una diferencia de potencial que varía con el tiempo de forma sinusoidal, llamada tensión alterna  Su amplitud aumenta con velocidad angular de giro de las espiras, , el número de espiras, N, el área de las espiras, A y el campo magnético  La corriente eléctrica asociada es también sinusoidal corriente alterna Este ingenio es el fundamento de la producción de energía eléctrica a gran escala en las centrales hidroeléctricas, nucleares, térmicas, eólicas, etc. Posibilita la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica

1º GOO. Profesora Marta Rojo 13

  1. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA Michael Faraday (s. XIX)

 Gran físico experimental

 Importantes contribuciones científicas

y tecnológicas:

  • Descubridor de la Inducción

Electromagnética

  • Inventor del motor , el

generador y el transformador

  • Leyes de la electrolisis Tema 9. Ondas EM. Luz 1º GOO. Profesora Marta Rojo 14
  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Siglo XVII

Teoría corpuscular de Newton ( 1642 - 1727 )

  • Explica la propagación rectilínea de la luz, los fenómenos de reflexión y refracción
  • Predice erróneamente que la velocidad de la luz en el

aire es menor que en el agua, vaire > vagua!

Naturaleza de la Luz

Edad Media

Teoría corpuscular: La luz es un chorro de partículas emanadas por la fuente, que producían la sensación de visión cuando entraban en los ojos La controversia sobre la naturaleza de la luz es una de las más interesantes de la Historia de la Ciencia [SJ, p. 932-3]  Teoría ondulatoria de Huygens ( 1629 - 1695 )

  • Explica los fenómenos de reflexión y refracción
  • Predice correctamente que la velocidad de la luz en el

aire es mayor que en el agua, vaire > vagua

1º GOO. Profesora Marta Rojo 15

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Siglo XIX: El triunfo de la

Teoría Ondulatoria

 Thomas Young ( 1801 ): Observación experimental de la interferencia de la luz  Agustín Fresnel ( 1788 - 1827 ) Realizó numerosos experimentos de interferencia y estudió el comportamiento de la luz tanto teórica como experimentalmente  Jean Foucault ( 1850 ) Mide la velocidad de la luz en el agua y demuestra experimentalmente que Newton estaba equivocado Tema 9. Ondas EM. Luz 1º GOO. Profesora Marta Rojo 16

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

 1860 James Clerk Maxwell:

Publica su “ Teoría Matemática del

Electromagnetismo ” y PREDICE la existencia

de las ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS :

Un campo E que varía en el tiempo produce campo B también variable en el tiempo, y viceversa ELECTROMAGNETISMO

ELECTRICIDAD

ÓPTICA MAGNETISMO

Eo

Bo

1º GOO. Profesora Marta Rojo 19

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Ondas Electromagnéticas Planas (I)

Se caracterizan por la propagación conjunta a través del espacio de un campo

eléctrico y un campo magnético oscilantes cuya función de onda es

  • E o y B o son las amplitudes de los campos oscilantes E y B
  • k = 2 / [m-^1 ] longitud de onda [m] Periodicidad espacial
  • = 2 f [rad/s] frecuencia lineal f =1/T [Hz] Periodo T [s] Periodicidad temporal
  • Velocidad de propagación v ( c en el vacío) = /k = ·f [m/s]
  • Los dos campos oscilan con la misma frecuencia y longitud de onda, y están en

fase

http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/viewtopic.php?t= Tema 9. Ondas EM. Luz 1º GOO. Profesora Marta Rojo 20

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
  • Velocidad de propagación de las ondas EM en un medio de características electromagnéticas (^) r , (^) r
  • Los campos E y B de la onda EM son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación Velocidad de la luz en el vacío donde Índice de refracción del medio Ondas Electromagnéticas Planas (II)

1º GOO. Profesora Marta Rojo 21

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

¿Cómo se producen las Ondas Electromagnéticas?

Son emitidas por cargas eléctricas aceleradas

Campo E variable Campo B variable

  • Se conecta la antena a un voltaje variable con el tiempo que provoca el desplazamiento alternado de cargas eléctricas positivas y negativas en la antena, y la aparición de un campo eléctrico variable.
  • Este campo eléctrico variable produce un campo magnético también variable (no dibujado) y viceversa
  • Ambos campos se propagan hacia el exterior dando lugar a una onda electromagnética (T&M p. 908 ) Antena dipolar eléctrica Tema 9. Ondas EM. Luz 1º GOO. Profesora Marta Rojo 22
  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Energía de las ondas electromagnéticas La energía de las ondas electromagnéticas viene determinada por su Intensidad I que es la potencia media que atraviesa la unidad de área perpendicular a la dirección de propagación de la onda EM (potencia/superficie)

Unidades S.I.: [W/m^2 ]

25

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 1º GOO. Profesora Marta Rojo 25 Cuando una onda EM atraviesa la superficie de separación entre dos medios con propiedades electromagnéticas y

diferentes ( n 1 y n 2 diferentes) parte de la

onda retorna al primer medio, reflexión , y parte de la onda pasa al segundo medio, refracción. Rayo Reflejado n 1 n 2 Rayo Refractado Rayo incidente

¿Cómo funciona una lente?

http://www.walter-fendt.de/ph14e/huygenspr.htm Reflexión y Refracción Tema 9. Ondas EM. Luz 26

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 1º GOO. Profesora Marta Rojo 26

¿Cómo funciona una fibra óptica?

Reflexión interna total

Cuando una onda EM atraviesa la superficie de separación entre dos medios siendo n 2 < n 1 , a partir

de cierto ángulo de incidencia crítico, (^) c , toda la energía se refleja y no hay refracción ( (^) 2 = 90 º). Este fenómeno se conoce como Reflexión Interna Total En las Fibra Ópticas la luz viaja mediante reflexiones totales por el interior de la estructura cilíndrica

27

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 1º GOO. Profesora Marta Rojo Interferencia: Experimento de doble rendija de Young S 1 y S 2 < http://www.walter-fendt.de/ph14e/doubleslit.htm

d

Tema 9. Ondas EM. Luz 28

  1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 1º GOO. Profesora Marta Rojo

¿ Luz + Luz = Oscuridad?

A cierta distancia del centro de la pantalla la diferencia de camino entre las ondas = /2 Coinciden crestas de un onda con valles de la otra Ondas en oposición de fase Se destruyen mutuamente Interferencia destructiva ¡OSCURIDAD! A cierta distancia del centro de la pantalla la diferencia de camino entre las ondas = Coinciden crestas y valles de ambas ondas Se vuelve a producir interferencia constructiva ¡LUZ! En el centro de la pantalla la diferencia de camino entre las ondas procedentes de las dos rendijas es cero Coinciden crestas y valles de ambas ondas Ondas en fase Interferencia constructiva ¡LUZ! Y así sucesivamente…