MAGNETISMO CAMPO MAGNÉTICO

Transcripción

1 MAGNETISMO El magnetismo es un fenómeno que manifiestan algunos cuerpos llamados imanes y es conocido desde la antigüedad, por la fuerza experimentada entre dos imanes o entre un imán y un metal. La fuerza puede ser de atracción o de repulsión dependiendo de la orientación de los imanes, de manera que se identifican dos polos o partes del mismo. Si se coloca un imán ligero flotante de manera horizontal, como la aguja de una brújula, el polo norte del imán es el lado que apunta al norte y el polo sur del imán es el lado que apunta al sur geográfico. ** Reglas entre imanes: Polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen. Nota: la tierra se comporta como un imán gigantesco de tal manera que el sur magnético está muy cerca del norte geográfico y el norte magnético muy cerca del sur geográfico. Observación: si rompes un imán permanente en dos o más trozos, cada trozo se comportará como otro imán completo con ambos polos. ** FLUJO DE CAMPO MANGÉTICO El campo magnético se puede comprender como una corriente que fluye a través del espacio, incluso en el espacio vacío. El flujo magnético se mide en Weber (Wb) y su símbolo es la letra griega f (se lee fi). DENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO Se define como el flujo por unidad de área que pasa por una superficie. La densidad de campo magnético o B se mide en Wb/m 2 o simplemente Tesla (T). 1T equivale a 1 Wb/m 2. CAMPO MAGNÉTICO Al igual que se estudió la forma del campo magnético utilizando una carga de prueba, se puede utilizar el polo norte de un imán para estudiar la forma del campo magnético alrededor de un imán. Nota: un polo aislado se puede conseguir de manera aproximada con una barra larga imantada, de tal manera que ambos polos de la barra queden muy alejados uno del otro. ** Se obtienen las siguientes características para el campo magnético: Se puede representar la forma del campo magnético por medio de líneas de fuerza. Las líneas de campo magnético son suaves, continuas y no se intersecan entre sí. Las líneas salen del polo norte y entran en el polo sur. PERMEABILIDAD MAGNÉTICA Es la propiedad de un cuerpo o un medio para concentrar el flujo magnético a través de él. Se representa por la letra (se lee miu) y se mide en Tm/A o Tesla-metro por Ampere. La permeabilidad relativa r es la permeabilidad del medio respecto a la permeabilidad del vacío o 0. ** Donde Tm/A ** INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO Es una cantidad que depende el medio en el cual se propaga el campo magnético de la siguiente manera: Donde H es la intensidad de campo magnético en A/m.

2 ELECTROMAGNETISMO Campo magnético Inducido. Un campo magnético también puede ser producido por una corriente eléctrica a través de un alambre. Sus características son: 1. Las líneas de campo magnético rodean a un alambre recto largo con forma de círculos concéntricos al alambre. 2. La dirección de las líneas de fuerza está dada por la regla de la mano izquierda. Si el dedo pulgar de la mano izquierda señal en la dirección de la corriente eléctrica a través del alambre, las líneas de campo magnético señalan en la dirección en la que se enrollan los dedos de la mano (figura a). CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR UNA BOBINA O SOLENOIDE. Si la espira tiene dos o más vueltas muy cercanas una de la otra, de alambre aislado (galvanizado), (figura b), el valor de la inducción magnética está dado por (a) (b) Donde L es la longitud de la bobina a lo largo de su eje principal y en Tm/A es la permeabilidad del medio. Ejemplos: 1. Por un alambre recto largo circula una corriente eléctrica cuya intensidad es 0.5 A, Cuál es la densidad de flujo magnético a 5 cm (0.05 m) del alambre? Considera la permeabilidad del vacío. Nota: no hay polos magnéticos en el campo magnético inducido por un conductor recto. CAMPO MANGÉTICO PRODUCIDO POR UN ALAMBRE RECTO. Si el medio por el cual se propaga el campo magnético es el vacío, la densidad de flujo magnético debido a la corriente eléctrica en un alambre recto, a una distancia d es: CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR UNA ESPIRA CIRCULAR. La densidad de flujo magnético o inducción magnética en el centro de una espira circular de radio r, por la que circula una intensidad de corriente eléctrica I, siempre es perpendicular al plano de la espira y su valor está dada por 2. Determina la densidad de flujo magnético en Tesla de un solenoide de 100 vueltas, cuya longitud es 5 cm (0.05 m) por el cual circula una corriente eléctrica de 1.5 A. Fuerza Magnética Cuando una partícula con carga eléctrica se mueve dentro de un flujo magnético perpendicular a este, experimenta una fuerza directamente proporcional a la carga eléctrica, a la rapidez con la que se mueve y proporcional a la densidad de flujo magnético. Si la dirección de movimiento de la partícula con respecto al flujo es la fuerza sobre la partícula será

3 Regla de la mano derecha: esta regla indica que se utilizan los primero tres dedos de la mano derecha extendidos para determinar la dirección de la fuerza magnética sobre una carga eléctrica negativa. Si el dedo índice apunta en la dirección del flujo magnético, el dedo medio apunta en la dirección en la que se mueve la carga eléctrica, entonces el dedo pulgar apunta en la dirección de la fuerza eléctrica. 1. Las corrientes inducidas son aquellas que se producen cuando se mueve un conductor en sentido trasversal a las líneas de flujo magnético. 2. La inducción electromagnética es el fenómeno que da origen a una fuerza electromotriz y, por lo tanto, a una corriente inducida. Esto es resultado del movimiento relativo entre el conductor y el flujo magnético. Fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente eléctrica. Al introducir un conductor a un campo magnético experimenta una fuerza, si este se introduce perpendicularmente a la dirección del flujo magnético recibirá una fuerza lateral dada por INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Si se introduce un imán de barra dentro de un solenoide se producirá una corriente eléctrica dentro del alambre de la bobina, la dirección de la corriente eléctrica dependerá de la dirección de movimiento del imán, sobre el eje principal del solenoide. LEY DE LENS El campo magnético producido por una corriente eléctrica inducida será de tal forma que se opondrá al campo magnético que la produjo. Dado que la rapidez con la que se mueve la carga eléctrica es la distancia recorrida entre el tiempo, entonces v = L/t y la intensidad de corriente eléctrica que circula por el conductor es I = q/t. Además, se ha determinado que entre dos conductores rectos paralelos se produce una fuerza cuya magnitud es LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY La fem inducida es directamente proporcional a la rapidez con la que cambia el flujo magnético. Para una bobina con N número de vueltas la fem inducida es La fuerza será de atracción si las corrientes van en el mismo sentido, pero si este es opuesto, la fuerza será de repulsión. Inducción Electromagnética y Electromagnetismo En 1931 Michael Faraday realizó una serie de experimentos en los cuales demostró que un imán que se mueve dentro de una bobina genera una fuerza electromotriz o voltaje, que desplaza carga eléctrica en la bobina. Los resultados de los experimentos se pueden resumir en dos enunciados. Inductancia Un circuito puede generar fenómenos de inducción electromagnética sobre sí mismo, estos son: autoinducción e inductancia mutua. 1. La autoinducción es la producción de una fem en un circuito por la variación de la corriente en ese circuito. La capacidad de una bobina de producir una fem autoinducida es la inductancia, esta se mide en Henrys.

4 Para bobina larga de sección transversal uniforme La potencia eléctrica en un trasformador es Potencia primaria = Potencia secundaria 2. Cunado dos bobinas se acercan una a la otra, al pasar una corriente eléctrica por una de ellas, creará un flujo magnético que pasará por la otra bobina, de tal manera que se produce una corriente eléctrica inducida en segunda bobina por acción de la primera. La bobina de la corriente inicial se conoce como primaria y en la que se produce la fem inducida se conoce como secundaria. El valor de la fem inducida en la secundaria es directamente proporcional a la rapidez con la que cambia la corriente eléctrica en la primaria. M es la inducción mutua del sistema de dos bobinas. Transformador Los transformadores se utilizan para elevar o disminuir el voltaje en un circuito de C.A. Si lo elevan se denominan de subida o de elevación, si lo disminuyen se llaman de bajada o de reducción. El transformador está formado por una bobina primaria A con N vueltas o espiras, conectada a una fuente en corriente alterna o CA y una bobina secundaria B (2N vueltas) conectada, por ejemplo, a un foco sin conexión alguna con una fuente. Cuando circula una corriente eléctrica por la bobina A se observa que enciende el foco, debido a que la bobina A genera un campo magnético cuya intensidad varía constantemente de valor, pasando por intensidad cero e invirtiendo alternadamente su valor. Si la bobina secundaria tiene más vueltas que la primaria, el aumento de la fem o voltaje es Corriente alterna Cuando la corriente eléctrica va de la terminal negativa a la positiva de manera constante sin cambiar de sentido, se le conoce como corriente continua o directa (cd). Mediante un generador de corriente alterna se puede transformar la corriente directa en corriente alterna, es decir una corriente que cambia de dirección alternadamente. La corriente alterna de nuestros hogares tiene una frecuencia de 60 Hertz o ciclos/s, un voltaje efectivo o fem cuadrática media de 115 V, distinto al voltaje del pico de 155 V. Generador Es un aparato que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Está constituido por un inductor elaborado a base de electroimanes o imanes permanentes que producen un campo magnético y por un inducido que consta de un núcleo de hierro al cual se le enrolla alambre conductor previamente aislado. Cuando se le comunica al inducido un movimiento de rotación, los alambre conductores cortan las líneas de flujo magnético, de manera que se inducen en ellas una corriente alterna. Mediante un dispositivo llamado conmutador conectado convenientemente se obtiene una corriente directa. El campo magnético variable de la bobina A induce una corriente eléctrica variable en la bobina B, produciendo en ésta un voltaje en CA, con un aumento en su intensidad máxima (por el doble de espiras), en este caso el doble que el de la fuente conectada a la bobina A.

5 Maxwell descubrió que: LEYES DE MAXWELL Los campos magnéticos cambiantes van acompañados de campos eléctricos, y los campos eléctricos cambiantes van acompañados de campos magnéticos. Gauss Ley Se refiere a Demuestra que Electricidad Gauss Magnetismo Ampere Faraday Carga y campo eléctrico Campo magnético en imanes Efecto magnético de una corriente eléctrica Efecto eléctrico de un campo magnético variable Fuerzas entre cargas, ley de Coulomb, las cargas en superficie de un conductor No existen monopolos magnéticos. Fuerza entre imanes según sus polos. Una corriente eléctrica en un alambre produce un campo magnético Un imán recto que pasa por una espira cerrada produce una corriente eléctrica. APLICACIONES TECNOLÓGICAS DEL ELECTROMAGNETISMO Motor eléctrico El motor eléctrico es un mecanismo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, al revés de un generador. Una corriente eléctrica alterna produce un campo magnético variable que al interactuar con un imán permanente produce movimiento giratorio. Generador eléctrico Es un dispositivo al que se le proporciona un movimiento giratorio por medio de una fuerza externa y transforma energía cinética en energía eléctrica. El generador obedece a la ley de Faraday, dado que un metal (el alambre de una bobina) en movimiento (giratorio) con respecto a un flujo magnético, por ejemplo al de un imán, produce corriente eléctrica alterna en el alambre. Transformador eléctrico Un transformador consta de dos bobinas una primaria conectada a una fuente de corriente alterna, por inducción magnética genera corriente alterna en una bobina secundaria, transformado el voltaje en la secundaria, de acuerdo a la relación entre el número de vueltas de una bobina respecto de la otra. ONDAS ELE CTROMAGNÉTICAS Además de sintetizar la electricidad y el magnetismo en una sola teoría coherente, Maxwell descubrió que la luz era una onda electromagnética, y fue capaz de predecir la existencia de otras ondas electromagnéticas no descubiertas hasta entonces. Henrich Hertz ideo el primer transmisor y detectó señales de unos cuantos metros de longitud de onda, además demostró que las ondas eran transversales. E S P E C T R O E L E C T R O M A G N É T I C O Una onda electromagnética es una perturbación que se propaga en el campo electromagnético, en la cual el campo magnético oscila en dirección perpendicular al campo eléctrico, de tal manera que ambos son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Como otros tipos de onda, una onda e.m se caracteriza por su longitud de onda, amplitud A, periodo T, frecuencia f y velocidad de propagación v y energía E. Una onda e.m. se propaga en el vació con rapidez de. Existen distintos tipo de onda: ondas transversales y ondas longitudinales. Las primeras son ondas en las que el medio de propagación oscila en dirección perpendicular a la dirección de propagación y en las segundas el medio se mueve en la misma dirección de propagación de la onda. Una onda traslada energía no materia a través de un medio de propagación. Ejemplo: