FÍSICA Semana N° 15
Flujo Magnético
Inducción electromagnética y flujo magnético
Esta clase de física esta enfocada en explicar el concepto de inducción electromagnética, correspondiente a la semana número 15 del curso. Antes de adentrarse en la inducción electromagnética, es importante comprender el término clave que se utilizará: el flujo magnético. El flujo magnético es una magnitud física escalar que está asociada a la cantidad de líneas de inducción magnética que atraviesan una región determinada.
Imaginemos una espiral circular, donde las líneas de inducción magnética pasan a través de ella. Para visualizar esto, asociamos una normal, que es una línea recta perpendicular a la superficie de la espiral. Esta normal forma un ángulo de 90 grados con la dirección del campo magnético. La espiral encierra un área, y si las líneas de inducción magnética atraviesan esa superficie, decimos que hay un flujo magnético a través de esa región. Por ejemplo, si acercamos un imán a la espiral, aparecerán líneas de inducción magnética que atraviesan la región, lo que indica la presencia de flujo magnético.
El profesor explica que el flujo magnético se calcula multiplicando el campo magnético por el área encerrada, y luego multiplicando este resultado por el coseno del ángulo entre la dirección del campo magnético y la normal. Esta expresión nos da la medida del flujo magnético, que se representa en tesla por metro cuadrado y se le denomina “weber” (Wb). El ángulo alfa representa la diferencia de dirección entre la normal y el campo magnético.
El profesor también señala algunos casos específicos para comprender cuándo se genera el flujo magnético máximo. En el primer caso, cuando el ángulo alfa es igual a cero grados, las líneas de inducción magnética atraviesan la región de manera perpendicular a la espiral, lo que resulta en el valor máximo del flujo magnético. Esto se debe a que el coseno de cero grados es igual a uno. En el segundo caso, cuando el ángulo alfa es igual a 90 grados, las líneas de campo magnético son paralelas a la espiral y no atraviesan la región, lo que resulta en un flujo magnético de valor cero, el mínimo valor posible.
El profesor también explica un tercer caso en el que puede ser complicado determinar el ángulo alfa debido a la forma de la figura. En esta situación, se puede recurrir a la proyección del área en un plano perpendicular al campo magnético. Al proyectar el triángulo sobre este plano, se obtiene un área proyectada que es equivalente al flujo magnético a través de la región original. Esto proporciona una alternativa para calcular el flujo magnético en situaciones más complejas.
Inducción Electromagnética
Inducción electromagnética y ley de Faraday: conceptos clave en Física
En la física, la inducción electromagnética es un fenómeno descubierto por Michael Faraday. Él observó que al pasar un campo magnético a través de una espiral conductora, se generaba una corriente eléctrica inducida cuando el flujo magnético variaba en el tiempo. Esta corriente se conoce como corriente inducida.
La inducción electromagnética se ilustra mediante un experimento en el cual se coloca un imán frente a una espiral conductora. Se observan líneas de inducción magnética que atraviesan la región donde se encuentra la espiral. Si el imán se acerca o se aleja, el flujo magnético a través de la espiral varía, lo que genera una corriente eléctrica inducida a lo largo de la espiral.
La intensidad de esta corriente inducida depende de la rapidez con la que cambia el flujo magnético. Si el imán se acerca lentamente, se genera una corriente inducida pequeña. Sin embargo, si se acerca rápidamente, la corriente inducida es mayor. La corriente inducida está relacionada con una fuerza electromotriz inducida en el lugar donde se produce.
Faraday formuló la Ley de Faraday, que establece que la fuerza electromotriz inducida es directamente proporcional a la variación del flujo magnético en función del tiempo. Esta expresión matemática nos permite calcular la fuerza electromotriz inducida en una espiral conductora. Si tuviéramos varias espiras, habría que considerar el número de espiras multiplicado por la variación del flujo magnético para obtener la fuerza electromotriz inducida total.
En el caso de una barra conductora móvil expuesta a un campo magnético, cuando la barra se mueve perpendicularmente al campo, se produce una distribución de cargas en su interior. Las cargas negativas se desplazan hacia un extremo de la barra, mientras que las cargas positivas se desplazan hacia el otro extremo. Esto resulta en una fuerza electromotriz inducida.
La fórmula para calcular la fuerza electromotriz inducida en este caso es el producto del campo magnético, la longitud del conductor y la velocidad a la que se mueve la barra.
La inducción electromagnética y la ley de Faraday son conceptos fundamentales en la física. Comprender estos principios es esencial para comprender el funcionamiento de generadores eléctricos, transformadores y otros dispositivos electromagnéticos.
En resumen, la inducción electromagnética es el proceso mediante el cual se genera una corriente eléctrica inducida en un conductor cuando el flujo magnético a través de él varía en el tiempo. La ley de Faraday establece que la fuerza electromotriz inducida es proporcional a la variación del flujo magnético con respecto al tiempo. Estos conceptos son fundamentales en el estudio de la electricidad y el magnetismo.
En esta lección de física exploramos la Ley de Lenz, que nos ayuda a determinar el sentido de la corriente inducida. Esta ley establece que el flujo magnético inducido se opone a la variación del flujo magnético que lo generó. En el caso de la inducción, cuando el flujo magnético a través de una espiral varía, se genera una corriente eléctrica inducida, y esta corriente genera un flujo magnético inducido que se opone al cambio del flujo magnético original. Para determinar el sentido de la corriente inducida, podemos utilizar la Regla de la Mano Derecha.
La Ley de Lenz tiene aplicaciones en los transformadores, dispositivos utilizados para cambiar los voltajes. Los transformadores funcionan bajo la Ley de Inducción de Faraday y constan de una parte primaria y una parte secundaria. La parte primaria es la entrada y la parte secundaria es la salida. En los transformadores lineales, no hay pérdida de potencia. La relación entre los voltajes y el número de espiras en el primario y el secundario se rige por la Ley de Lenz.
Es importante comprender y manejar esta relación para trabajar con transformadores, ya que la potencia en la entrada es igual a la potencia en la salida. Con esta comprensión, podemos analizar ejemplos de esta teoría.
En resumen, la Ley de Lenz nos permite determinar el sentido de la corriente inducida y se aplica en transformadores para cambiar los voltajes sin pérdida de potencia. Entender esta ley es fundamental para comprender el funcionamiento de los transformadores y su aplicación en diferentes situaciones.
Ejercicios de Física Semana 15
Problemas de Aplicación y Ley de Inducción de Faraday
En esta clase abordaremos una serie de ejercicios y problemas de aplicación relacionados con la ley de inducción de Faraday. Comenzaremos con el problema número tres, el cual plantea el siguiente escenario: tenemos una bobina compuesta por 600 espiras que se encuentran perpendicularmente dentro de un campo magnético uniforme. La cantidad de espiras se representa gráficamente y nos muestran la variación del flujo magnético a través de la bobina en función del tiempo. Nuestro objetivo es determinar la fem inducida en el intervalo de tiempo de 0 a 6 segundos.
Para calcular la fem inducida, utilizaremos la fórmula que establece que es igual a n veces la variación del flujo sobre la variación del tiempo. En este caso, tenemos 6 segundos y nos falta conocer la variación del flujo. Observando la gráfica, podemos ver que la variación del flujo durante esos 6 segundos es de 583. Aplicando la fórmula, obtenemos una fem inducida de 300 voltios.
Continuando con el siguiente problema, nos encontramos con la pregunta tres de los problemas de clase. En esta situación, cada una de las espirales conductoras circulares se mueve horizontalmente con una rapidez constante y penetra en una región de campos magnéticos. Debemos determinar la veracidad o falsedad de varias proposiciones relacionadas con este fenómeno.
Al analizar el movimiento de la espiral en relación al campo magnético, podemos concluir que la primera proposición es verdadera. Al entrar gradualmente a la región del campo magnético, se genera una corriente en sentido antihorario. Esto se debe a que el flujo magnético está aumentando al entrar en la región y la corriente inducida trata de anular ese cambio. Utilizando la regla de la mano derecha, determinamos la dirección de la corriente inducida.
La segunda proposición es falsa, ya que cuando la espiral se encuentra en movimiento dentro de la región del campo magnético, no se genera corriente eléctrica. Esto se debe a que no hay variación del flujo magnético durante ese tiempo.
Finalmente, la tercera proposición afirma que al salir gradualmente de la región del campo magnético se genera una corriente en sentido antihorario. Al analizar este caso, determinamos que la corriente inducida sería en sentido horario, ya que el flujo magnético está disminuyendo al salir de la región.
Pasando al último problema, nos encontramos con un transformador que se utiliza para reducir un voltaje efectivo alterno de 120 volts a 12 volts. Sabemos que el transformador tiene 200 espiras en el primario y disipa una potencia de 60 watts en una lámpara conectada al secundario. Debemos determinar el número de espiras en el secundario, suponiendo que no hay pérdida de energía en el transformador.
Utilizando la relación entre las espiras del primario y del secundario (n1/n2 = V1/V2), donde V1 es el voltaje en el primario y V2 es el voltaje en el secundario, y teniendo en cuenta que n1 es 200 y V1 es 120, podemos calcular que n2 es igual a 10. Por lo tanto, el número de espiras en el secundario es de 20.
