BACHILLERATO FÍSICA 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Dpto. de Física y Química. R. Artacho

Transcripción

1 BACHILLERATO FÍSICA 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA R. Artacho Dpto. de Física y Química

2 Índice CONTENIDOS 1. Inducción electromagnética 2. El fenómeno de la autoinducción 3. Aplicaciones de la autoinducción 4. Unificación de Maxwell 5. Magnetismo natural CRITERIOS DE EVALUACIÓN 16. Relacionar las variaciones del flujo magnético con la creación de corrientes eléctricas y determinar el sentido de las mismas. 17. Conocer las experiencias de Faraday y de Henry que llevaron a establecer las leyes de Faraday y Lenz. 18. Identificar los elementos fundamentales de que consta un generador de corriente alterna y su función. ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE Establece el flujo magnético que atraviesa una espira que se encuentra en el seno de un campo magnético y lo expresa en unidades del Sistema Internacional Calcula la fuerza electromotriz inducida en un circuito y estima la dirección de la corriente eléctrica aplicando las leyes de Faraday y Lenz Emplea aplicaciones virtuales interactivas para reproducir las experiencias de Faraday y Henry y deduce experimentalmente las leyes de Faraday y Lenz Demuestra el carácter periódico de la corriente alterna en un alternador a partir de la representación gráfica de la fuerza electromotriz inducida en función del tiempo Infiere la producción de corriente alterna en un alternador teniendo en cuenta las leyes de la inducción. 2

3 Michael Faraday ( ) Joseph Henry ( ) Si de la electricidad surgía magnetismo, por qué motivo el magnetismo no habría de generar a su vez electricidad? 3

4 1.1. Experiencias de Faraday 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Al conectar y desconectar la batería, se induce corriente La variación del campo magnético de la primera bobina era lo que inducía la corriente eléctrica momentánea en la segunda 4

5 1.1. Experiencias de Faraday 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA El movimiento de las bobinas induce corriente eléctrica 5

6 1.1. Experiencias de Faraday 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Al introducir el imán en la bobina conectada al galvanómetro, la aguja volvía a indicar inducción de corriente. Al sacar el imán de la bobina conectada al galvanómetro, la aguja volvía a indicar inducción de corriente pero en sentido contrario 6

7 1.1. Experiencias de Faraday 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Al cambiar la polaridad del imán, al introducir el imán en la bobina conectada al galvanómetro, la aguja volvía a indicar inducción de corriente en sentido contrario Al sacar el imán de la bobina conectada al galvanómetro, la aguja vuelve a indicar inducción de corriente pero en sentido contrario 7

8 1.1. Experiencias de Faraday 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Se denomina inducción electromagnética al fenómeno consistente en provocar o inducir una corriente eléctrica mediante un campo magnético variable. Igual sucede si en lugar del imán movemos la bobina. 8

9 1.2. Ley de Faraday en términos de flujo magnético Flujo magnético El flujo magnético es el número de líneas del campo magnético que atraviesan una superficie dada. dφ = B d S Φ = S B d S B En el caso de una espira y de un campo magnético uniforme: Φ = B S = BScosα En una bobina de N espiras: Φ = NB S = NBScosα La unidad de flujo en el SI es el weber (Wb): 1 Wb = 1 T 1 m 2 α S 9

10 1.2. Ley de Faraday en términos de flujo magnético Teorema de Gauss aplicado al campo magnético La probable inexistencia de monopolos magnéticos nos obliga a considerar que las líneas de campo magnético son cerradas. Φ = S B d S = 0 10

11 EJERCICIO 1 Una espira circular de 5 cm de radio está situada perpendicularmente a un campo magnético uniforme de 0,4 T. Calcula: a) El flujo magnético que atraviesa la espira en esa situación. b) El flujo magnético que atraviesa la espira si esta gira 30º alrededor de un eje que pase por su centro y sea perpendicular a B. 11

12 1.2. Ley de Faraday en términos de flujo magnético Ley de Faraday La corriente eléctrica es inducida por la variación del flujo magnético Ley de Faraday: La fuerza electromotriz que da lugar a la corriente eléctrica inducida en un circuito es igual a la rapidez con que varía el flujo magnético a través del mismo: ε inducida = Φ t ε inducida= N Φ t ε inducida = dφ dt ε inducida= N dφ dt 12

13 EJERCICIO 2 Una bobina constituida por 100 espiras circulares de 1cm de radio se halla en el seno de un campo magnético uniforme de 0,5 T, de modo que el plano de las espiras es perpendicular al campo. a) Cuál es el valor de la diferencia de potencial inducida al girar la bobina 90º en una milésima de segundo? b) Si duplicamos el número de espiras, en cuánto tiempo deberíamos girar 90º la bobina para conseguir la misma fuerza electromotriz? 13

14 1.3. Ley de Lenz El sentido de la corriente inducida es tal que el campo magnético creado por dicha corriente tiende a oponerse a la variación del flujo magnético que la ha originado. I B 14

15 1.4. Formas de inducir la corriente Φ = BScosα Podemos variar el flujo: Variando el campo magnético. Variando la superficie. Variando la orientación del circuito en el campo al hacerlo girar. Fuerza electromotriz inducida al variar el campo magnético ε inducida = N Φ t = NS ΔB Δt ε inducida = NS db dt 15

16 EJERCICIO 3 Una bobina de 100 espiras circulares de 2 cm de radio se sitúa con sus espiras perpendiculares a un campo magnético cuyo valor varía según B = 1,5 e 0,2t T. a) Cómo varía la fuerza electromotriz inducida con el tiempo? b) Cuál será el valor de dicha fuerza electromotriz inducida a los 10 s? 16

17 1.4. Formas de inducir la corriente Fuerza electromotriz inducida al variar el tamaño de la superficie I I I v I v x I B l ε inducida = dφ dt d lx = B dt = Bl dx dt ε inducida = Blv = B ds dt = Es la fuerza electromotriz por movimiento 17

18 1.4. Formas de inducir la corriente Fuerza electromotriz inducida al variar el tamaño de la superficie 18

19 1.4. Formas de inducir la corriente Fuerza electromotriz inducida al variar el tamaño de la superficie F m I B F El agente externo que desplaza el hilo móvil debe realizar un trabajo en contra del campo, este trabajo externo es el que transfiere energía cinética a las cargas, que forman la corriente eléctrica. 19

20 1.4. Formas de inducir la corriente Fuerza electromotriz inducida al variar el tamaño de la superficie N B I I v Al sacar o introducir la espira en el campo magnético, se induce una fuerza electromotriz proporcional a la velocidad con la que varía superficie atravesada por el campo S 20

21 EJERCICIO 4 Teniendo en cuenta que la fem inducida es igual a IR (donde R es la resistencia del circuito), halla una expresión para la intensidad que circula en una espira si dispone de un lado móvil que se desplaza perpendicularmente a un campo magnético uniforme sin salir de él. 21

22 1.4. Formas de inducir la corriente Fuerza electromotriz inducida al variar la orientación. Corriente alterna B B B ω S ω S ε 0 = BSω S ω a) b) c) ω d) S B ω e) S B Φ = BScosα = BScosωt ε = dφ dt = BSωsenωt ε = ε 0 senωt ε 0 = BSω ε 0 = NBSω I = I 0 senωt I 0 = NBSω R 22

23 1.4. Formas de inducir la corriente Fuerza electromotriz inducida al variar la orientación. Corriente alterna Φ +BS + 0 I I 0 a b c d e a b c d e a b c d e -I 0 -BS - 0 Φ = BScosωt ε = ε 0 senωt I = I 0 senωt Este tipo de corriente se denominado corriente alterna. El dispositivo que hace girar la espira se denomina generador de corriente alterna o alternador. 23

24 EJERCICIO 5 Un alternador consta de una bobina de 40 espiras cuadradas de 5 cm de lado y una resistencia total de 16. La bobina gira con una frecuencia de 100 Hz en un campo magnético constante de 0,8 T. Determinar: a) La fuerza electromotriz máxima que se induce. b) El valor máximo de la intensidad inducida. c) Una expresión para la fuerza electromotriz y la intensidad inducida en función del tiempo. Traza las representaciones gráficas de estas dos magnitudes. 24

25 2 El fenómeno de la autoinducción Toda corriente de intensidad variable que circule por un conductor induce una fuerza electromotriz en el propio conductor que se opone a la variación que la produce. Este fenómeno se denomina autoinducción. La autoinducción aparece en: I Intensidad máxima I I 0 Se cierra el circuito Se abre el circuito a b c d e -I 0 Al cerrar un circuito de corriente continua o al abrir un circuito de corriente continua t En un circuito de corriente alterna 25

26 2 El fenómeno de la autoinducción El fenómeno de autoinducción se intensifica con una bobina arrollada sobre un núcleo de hierro, y, como consecuencia, la intensidad máxima se alcanza con más demora. I Intensidad máxima a b c t a) Alambre rectilíneo b) Bobina en espiral c) Bobina en espiral arrollada sobre un núcleo de hierro 26

27 2 El fenómeno de la autoinducción 2.1. La inductancia, L, como medida de la autoinducción Como el flujo magnético es proporcional al campo, y este, en el caso de ser producido por una corriente, es proporcional a la intensidad, podemos concluir que: Φ m = LI El coeficiente L se denomina inductancia del circuito o coeficiente de autoinducción del circuito. ε autoinducida = ΔΦ Δt = L ΔI Δt ε autoinducida = L di dt La unidad de inductancia en el SI es el henrio (H): L = ε autoinducida di dt 1 H = 1 V 1 A 1 s = 1 Wb 1 A 27

28 2 El fenómeno de la autoinducción 2.1. La inductancia, L, como medida de la autoinducción Cálculo de la inductancia de un solenoide B B = μ 0 I N l Φ m = NBS = μ 0 IS N2 l I L = Φ m I = μ 0SN 2 l Solo depende de las características estructurales dl solenoide. 28

29 2 El fenómeno de la autoinducción EJERCICIO 6 Un solenoide de 500 espiras apretadas tiene una longitud de 30 cm y un radio de 1 cm. Por él circula una corriente de 4 A. Determina: a) El valor del campo magnético en un punto de la región central de su eje. b) El flujo magnético a través del solenoide, si B es constante en su interior. c) La inductancia del solenoide. d) La fuerza electromotriz autoinducida en el solenoide cuando la intensidad varía a razón de 180 A/s. 29

30 3 Aplicaciones del fenómeno de la autoinducción 3.1. Generadores de corriente alterna I I 0 -I 0 a b c d e Un generador de corriente transforma energía mecánica en energía eléctrica 30

31 3 Aplicaciones del fenómeno de la autoinducción 3.2. Generadores de corriente continua Un generador de corriente transforma energía mecánica en energía eléctrica 31

32 EJERCICIO 7 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 3 Aplicaciones del fenómeno de la autoinducción Un generador de corriente alterna (AC) está formado por una bobina de 23 espiras de 0,05 m 2 de área que giran en un campo magnético de 0,6 T con una frecuencia de 50 Hz. Si la resistencia total de la bobina es de 20, determinar: a) La fuerza electromotriz máxima inducida. b) La intensidad máxima inducida. 32

33 3 Aplicaciones del fenómeno de la autoinducción 3.3. Motores eléctricos M Un motor al contrario que un generador transforma energía eléctrica en energía mecánica 33

34 3.4. Transformadores 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 3 Aplicaciones del fenómeno de la autoinducción Bobina primaria Bobina secundaria V 1 = N 1 dφ m dt V 2 = N 2 dφ m dt Si no hay pérdidas: V 1 V 2 = N 1 N 2 Si N 2 > N 1 elevador Si N 2 < N 1 reductor P = V 1 I 1 = V 2 I 2 I 1 I 2 = N 2 N 1 34

35 EJERCICIO 8 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 3 Aplicaciones del fenómeno de la autoinducción Un aparato funciona a 9 V y con 0,5 A mediante un transformador cuya bobina primaria tiene espiras. Si la tensión de entrada es de 220 V: a) Cuántas espiras debe tener la bobina secundaria? b) Cuál es la intensidad, en ma, que circula por la primaria? 35

36 4 La unificación de Maxwell Unificó las teorías de la electricidad y el magnetismo. Las cuatro ecuaciones junto a la fuerza generalizada de Lorentz describen los fenómenos electromagnéticos desde el punto de vista clásico 1ª Ley: Teorema de Gauss para el campo eléctrico: James Clerk Maxwell ( ) E d S = q int ε 0 2ª Ley: Teorema de Gauss para el campo magnético B d S = 0 3ª Ley: Ley de Faraday sobre inducción E d l = dφ m dt 4ª Ley: Teorema de Ampère extendida a campos eléctricos variables B d l = μ 0 I + μ 0 ε 0 dφ eléctrico dt 36

37 4 La unificación de Maxwell La tercera ecuación de Maxwell va más allá de lo expuesto hasta ahora: Un campo magnético variable induce otro eléctrico proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético y perpendicular a él. En la cuarta ecuación: un campo eléctrico variable induce otro magnético proporcional a la rapidez con que cambia el flujo del campo eléctrico y perpendicular a él ( no es necesaria la presencia de corrientes eléctricas). Desaparece la idea de fuerza a distancia y es sustituida la de propagación de la interacción en el medio en forma de onda electromagnética. La velocidad de propagación de dichas ondas es igual a la de la luz: la luz es, en realidad, una perturbación electromagnética que se propaga por el campo. Así se unificó la teoría electromagnética con la óptica. 37

38 5 El magnetismo natural Momento magnético orbital del electrón Un electrón en su órbita constituye una corriente eléctrica y por tanto crea un campo magnético. Podemos caracterizar el movimiento de los electrones por su momento magnético. Los materiales responde de forma distinta ante un campo magnético externo o ante un cambio de temperatura y según su comportamiento se clasifican en: ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos. 38

39 5 El magnetismo natural Ferromagnéticos Diamagnéticos B B Hierro, cobalto, níquel, gadolinio, disprosio y algunas aleaciones Paramagnéticos B Aluminio, sodio, platino, uranio, oxígeno Bismuto, cobre, plomo, sal, azufre, mercurio, cuarzo, plata, grafito, diamante y la mayoría de los compuestos orgánicos 39

40 5.1. Magnetización y temperatura 5. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 5 El magnetismo natural La magnetización de las sustancias ferromagnéticas y paramagnéticas disminuye con la temperatura. La temperatura crítica a la que un material ferromagnético se convierte en paramagnético debido a la desorientación térmica se denomina temperatura de Curie. Material Temperatura Curie (K) Fe 1043 Co 1388 Ni 627 Gd 292 Dy 88 40