INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Física de 2º de Bachillerato

Transcripción

1 NDUCCÓN ELECTROMAGNÉTCA Física de 2º de Bachillerato 1

2 Hemos visto que las cargas en movimiento o una corriente eléctrica crea campos magnéticos. Ahora vamos a ver que los campos magnéticos, bajo ciertas condiciones, crean corrientes eléctricas, 2

3 Michael Faraday, fue uno de los científicos más eminentes del siglo XX, realizó importantes contribuciones a la física y la química. Descubrió el fenómeno conocido como inducción electromagnética al observar que en un cable que se mueve en un campo magnético aparece una corriente. Este descubrimiento contribuyó al desarrollo de las ecuaciones de Maxwell y llevó a la invención del generador eléctrico. Entre los anteriores trabajos de Faraday en química figuran el enunciado de las leyes de la electrólisis y el descubrimiento del benceno. Heinrich Friedrich Emil Lenz (12/02/ /02/1865) fue un físico alemán del Báltico conocido por formular la Ley de Lenz en Lenz nació en Tartu en lo que es hoy en día Estonia. Lenz estudió química y física en la Universidad de Tartu. Viajó alrededor del mundo y estudió las condiciones climáticas y las propiedades físicas del agua del mar. Después trabajó en la Universidad de San Petersburgo. Comenzó a estudiar el electromagnetismo en Además de la ley nombrada en su honor, Lenz también descubrió independientemente la Ley de Faraday en 1842; para hacer honor a sus esfuerzos en el problema, los físicos rusos siempre usan el nombre "Ley de Faraday-Lenz". 3

4 NDCE 1. EXPERENCAS DE FARADAY Y HENRY 2. NTERPRETACÓN DE LAS EXPERENCAS DE FARADAY Y HENRY 3. LEY DE FARADAY Y DE LENZ 4. PRODUCCÓN DE CORRENTES ALTERNAS MEDANTE VARACÓN DEL FLUJO MAGNÉTCO 5. LA MPORTANCA DE LA ENERGÍA ELÉCTRCA Y SU MPACTO AMBENTAL 6.AUTONDUCCÓN. TRANSFORMADORES 4

5 1. EXPERENCAS DE FARADAY Y HENRY A. Una espira unida a un galvanómetro - Solo aparece corriente mientras hay movimiento relativo entre el imán y la espira y cesa en el instante en que cesa el movimiento. Galvanómetro mán en movimiento - La corriente cambia de sentido al cambiar el sentido del movimiento. V V - La corriente que aparece en la espira se denomina fem inducida nductor e inducido. 5

6 B. Dos espiras, una de las cuales tiene un generador. - La espira 1 tiene una resistencia variable que cuando se modifica produce una corriente variable y crea un campo variable. Este campo variable produce un flujo variable en la espira 2 que induce una fem. Esto se detecta con el galvanómetro del circuito 2. - Estos resultados demuestran que se produce una corriente variable en el circuito 2 como resultado de modificar la corriente del circuito 1. 6

7 C. Un electroimán y un solenoide con galvanómetro. - Modificando la resistencia variable, o produciendo un movimiento relativo entre el inducido y el inductor se produce siempre una fuera electromotriz inducida en el otro circuito que se confirma con el hecho de que el amperímetro indica paso de corriente. La inducción electromagnética es el proceso por el que se genera una corriente eléctrica en un circuito como resultado de la variación de un campo magnético. 7

8 D. Experiencia de Henry Si un conductor de longitud l se mueve perpendicularmente a un campo magnético se origina una diferencia de potencial entre sus extremos. Y producirá una corriente si este conductor forma parte de un circuito. 8

9 2. NTERPRETACÓN DE LAS EXPERENCAS DE FARADAY Y HENRY - La primera interpretación es considerar el fenómeno de la inducción como una consecuencia de la Ley de Lorentz. F e F m q E q v B o E v B V El Bl v o V Bl v sen 9

10 - La segunda interpretación es suponer que la causa de las corrientes inducidas es debida a la variación de flujo magnético que atraviesa el inducido. - La ecuación anterior puede escribirse de otra forma. Considerando que al moverse el conductor varía el número de líneas de fuerza magnética que lo atraviesa, y por tanto el flujo magnético d B ds B l dx Considerando la variación del flujo con el tiempo d dx d B l B l v dt dt dt 10

11 3. LEY DE FARADAY Y DE LENZ Toda variación de flujo magnético que atraviesa el circuito cerrado produce en éste una corriente inducida. La corriente inducida es instantánea, solo existe mientras existe variación de flujo. La inducción electromagnética se rige por dos leyes: - La Ley de Lenz que nos dice el sentido de la corriente y la Ley de Faraday que nos dice el valor de la corriente inducida. Ley de Lenz d N dt Ley de Faraday 11

12 A) Ley de Lenz: El sentido de la corriente inducida es tal, que los efectos que genera tienden a oponerse al cambio de flujo que la origina. 12

13 B) Ley de Faraday: La corriente inducida es producida por una fem inducida que es directamente proporcional a la rapidez con que varia el flujo y al número de espiras. valor medio valor instantáneo N t d N dt 13

14 E1. Una bobina plana de 400 espiras de 0,2 m de radio, cuya resistencia es de 11, tiene inicialmente el eje paralelo a un campo magnético uniforme de intensidad B=0,30 i T. Si, en 0,5 s, el eje de la bobina se coloca perpendicular al campo magnético, determina: -La fuerza electromotriz inducida. -La intensidad y el sentido de la corriente. =30 V =2,74 A E2. Una bobina plana cuadrada de 300 espiras de 5 cm de lado, se sitúa inicialmente perpendicular a un campo magnético uniforme, creado por un electroimán, cuya intensidad vale 0,8 T. Los extremos del hilo de la bobina van unidos a un miliamperímetro de resistencia 2,0 y la resistencia de la bobina es de 8,0. Calcula: -La fuerza electromotriz inducida si la bobina gira con una velocidad angular constante de 50 rps. =188sen(100 t) V -La intensidad de la corriente inducida. =18,8sen(100 t) 14A

15 4. PRODUCCÓN DE CORRENTES ALTERNAS MEDANTE VARACÓN DEL FLUJO MAGNÉTCO d d B S cos( wt) N N N B S wsen( wt) d t d t m sen( wt) donde m N B S w El generador eléctrico convierte energía mecánica, que hace variar el flujo que atraviesa la espira, en energía eléctrica, fuerza elelectromotriz inducida. 15

16 E3. Una varilla metálica de 1,0 m de longitud gira a una velocidad angular constante de 20 rad/s, en un campo magnético uniforme de 0,050 T. El eje de giro pasa por un extremo de la varilla y es paralelo a las líneas de fuerza del campo magnético. Calcula la fuerza electromotriz inducida en los extremos de la varilla. =- 0,5 V E4. Un generador de corriente alterna consta de una bobina de 10 espiras de 0,09 m 2 de superficie cada una y una resistencia eléctrica de 15. La bobina gira en una campo magnético uniforme de 0,5 T con una frecuencia de 50 Hz. Calcula: -La máxima fuerza electromotriz inducida. -La corriente inducida máxima. = 141,3 V = 9,4 A 16

17 5. LA MPORTANCA DE LA ENERGÍA ELÉCTRCA Y SU MPACTO AMBENTAL La energía eléctrica es la forma de energía más solicitada. - Permite su transporte y distribución de forma inmediata. - Se transforma en cualquier otro tipo de energía con relativas pocas pérdidas, calor, energía mecánica etc. - Máxima disponibilidad de energía y potencia cortando su suministro a voluntad. - Prácticamente todos los aparatos pueden funcionar con electricidad. - Es un energía limpia y su uso no produce contaminación. 17

18 A) Producción de energía eléctrica: Obtención, transporte y distribución. Producción. Transporte y distribución 18

19 B) mpacto medioambiental: La producción y el transporte de energía eléctrica tiene impacto ambiental Las centrales hidroeléctricas: -Alteran el paisaje. -Altera el cauce de los ríos. -Ocupan espacio de cultivo o rural. -Se depende de la climatología. -Utilizan un recurso renovable -Evita inundaciones, avenidas y no perjudica la calidad del agua. -Permite conservar el cauce ecológico de los ríos. -En ocasiones se gana estéticamente. Las centrales térmicas: -Utilizan combustibles fósiles y dejan residuos de todo tipo, problemas con el tratamiento de aguas y de refrigeración. -Son las más contaminantes pero presentan un riesgo controlado. -Se utilizan chimeneas de gran altura. -Se depuran las aguas utilizadas para evitar la contaminación química. -Hoy en día se evita la elevación de temperatura con las elevadas torres de refrigeración. 19

20 Las centrales hidroeléctricas: nucleares: -Problemas de radiación -Problemas de residuos. -Problemas con el calentamiento de cauces, todo ello implica un aumento de costes en seguridad y producción. -Utilizan un recurso relativamente más barato -Hay mucho menos gasto de materias primas. -Evita la dependencia del petróleo pero crea dependencia de las grandes potencias. Las El transporte centralesde hidroeléctricas: la energía y su impacto en el medioambiente El transporte de energía eléctrica se realiza mediante líneas de alta tensión, 500 kv, 12 kv que afectan al medioambiente. -mpacto estético de las torres. -Afecta al terreno de cultivo. -mpacto negativo sobre ciertas aves y especies arbóreas. -Peligro cuando se invaden áreas urbanas 20

21 6. AUTONDUCCÓN E NDUCCÓN MUTUA Cuando una corriente variable circula por un circuito origina un campo magnético variable ligado al propio circuito. - Corrientes autoinducidas son corrientes que aparecen en el propio circuito al variar la intensidad de corriente que circula por él. (Ej.: extracorrientes de cierre y apertura) Solo se manifiesta mientras dura la variación y el sentido de la corriente inducida coincide con la corriente variable cuando disminuye y es contrario cuando aumenta - La inducción mutua consiste en la aparición de una fem en un circuito cuando se produce una variación de corriente en otro próximo a él. (Ej.: transformadores) 21

22 A) LEY DE FARADAY PARA CORRENTES AUTONDUCDAS En la autoinducción la variación de flujo magnético es producida por variaciones de corriente d d t k d d t d d d N kn L d t d t d t La fem inducida será proporcional a las variaciones de intensidad en el circuito y de sentido contrario. d N dt L N d L dt El coeficiente de autoinducción de una bobina se mide en Henrios. Y depende del número de espiras, el flujo magnético y la intensidad de la corriente que la atraviesa. 22

23 CONTRACORRENTE DE CERRE Supongamos un circuito abierto, que cerramos, y durante el estado transitorio, la intensidad que circula por él irá en aumento. Paralelamente aparecerá una fem inducida que se opone a este aumento. Si aplicamos la Ley de Ohm generalizada, tenemos: R R d d R L R separando variables... dt dt 0 L 0 R R ln t y se obtiee n 1 e R L R 0 R L t t 23

24 EXTRACORRENTE DE APERTURA Supongamos ahora un circuito cerrado, que abrimos, y durante el estado transitorio, la intensidad que circulaba por él irá disminuyendo. Paralelamente aparecerá una fem inducida que se opone a esta disminución. Si aplicamos la Ley de Ohm generalizada, tenemos: R R d d R L R separando variables... dt dt L 0 t 0 ln 0 R L t y se obtiene R e R L t 24

25 Representación de la corriente de apertura en color verde y la corriente de cierre en color rojo R 1 e R t L R e R t L t 25

26 B) NDUCCÓN MUTUA Y TRANSFORMADORES En la inducción mutua la fem inducida en el secundario es debida a las variaciones de intensidad en el circuito primario. s p Ns dt s Ns N p d d dt p N p p N p N s s Si se parte del supuesto de que el transformador no consume energía, la potencia suministrada por el circuito primario será igual a la del secundario. p p s s p s N N s p s p 26

27 E5. Se aplica una tensión de 220 V a un circuito primario de un transformador que contiene 1100 espiras, de modo que circula por él una intensidad de 45 ma. Si el secundario posee 50 espiras, calcula: -La tensión del secundario. -La intensidad de corriente en el secundario. V s =10 V s = 1 A -El rendimiento del transformador es del 98%, indica las causas de la pérdida de energía y la forma en que aparece la energía perdida. E6. Halla el número de espiras que debe tener el primario de un transformador sabiendo que la tensión en la entrada es de 3000 V y la tensión en la salida es de 125 V. El secundario está formado por 50 espiras. N p = 1200 espiras 27