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Inducción electromagnética

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  • 1. Inducción electromagnética ANDREA GARCÍA ZUBIZARRETA
  • 2. Experiencia de Faraday En 1831, Michael Faraday comprobó que es posible obtener una corriente, al descubrir el fenómeno de inducción electromagnética, que consiste en la generación de corriente eléctrica a partir de un flujo magnético variable.
  • 3. Primera Experiencia de Faraday En la primera experiencia conecto los extremos de la bobina a un galvanómetro para poder medir la corriente inducida al introducir y extraer el imán. 1. Observó que si acercaba el imán a la bobina, aparecía una corriente inducida durante el movimiento del imán. 2. En cambio, si alejaba el imán el sentido de la corriente inducida en la bobina se invertía. 3. Con la bobina y el imán fijos no observamos corriente inducida alguna.
  • 4. Segunda experiencia de Faraday En la segunda experiencia se enrollan las dos bobinas alrededor de la barra de hierro. La primera bobina se conecta a la batería con un interruptor. La segunda bobina se conecta a un galvanómetro para medir la corriente inducida al cerrar y abrir la corriente inducida al cerrar y abrir el interruptor. 1. Observó que cuando conectaba el interruptor se induce una corriente eléctrica en la segunda bobina. Las corrientes en las dos bobinas circulan en sentidos contrarios . 2. Sin embargo, cuando desconectaba el interruptor se inducía de nuevo una corriente eléctrica en la segunda bobina. Así la corriente inducida tiene sentido opuesto a la del caso anterior. 3. Si la intensidad de corriente se mantiene constante no se induce corriente. Con esto demostró que la inducción de corriente eléctrica en un circuito es debida a campos magnéticos variables.
  • 5. Ley de Faraday Faraday encontró una explicación a todas las experiencias relacionando la fuerza electromotriz inducida con las variaciones de flujo del campo magnético. Las observaciones de Faraday le llevaron a deducir que:  Aparece corriente inducida cuando hay movimiento relativo entre el inductor (bobina con corriente o imán) y el inducido (circuito en que aparece la corriente).  Cuanto más rápido es el movimiento, mayor es la corriente inducida.  Cuantas más espiras tenga la bobina del inducido, mayor es la intensidad de corriente inducida.  La corriente inducida cambia al cambiar el sentido del movimiento. Experimentalmente observamos que la fuerza electromotriz inducida es proporcional a la variación de flujo magnético, ΔΦ, e inversamente proporcional al tiempo invertido de dicha variación, Δt: ε= - ΔΦ / Δt El signo negativo nos indica que la fuerza electromotriz inducida se opone a la variación del flujo magnético (Ley de Lenz) “La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a la velocidad con que varía el flujo magnético a través de dicho circuito, cambiada de signo.” ε = - ∂ф / ∂t Podemos calcular la intensidad aplicando la ley de Ohm: I = ε / R = -1 /R · ∂ф / ∂t
  • 6. Flujo magnético El flujo magnético, Φ, a través de una superficie es una medida del número de líneas de inducción que atraviesan dicha superficie. La unidad de flujo magnético en el S.I. es el Weber (Wb). Campo uniforme y superficie plana: Campo variable y superficie cualquiera: Considera una espira circular que rodea una superficie S, situada en un campo magnético de inducción B. El Si el campo no es uniforme, la inducción B en cada punto número de líneas de campo que la atraviesan dependerá no es la misma. Para hallar el flujo en este caso dividimos la de B y de lo grande que sea la superficie S. superficie en elementos ∂s de superficie, de manera que en cada uno de ellos el campo es prácticamente uniforme. El producto escalar B · S representa el número de líneas En el caso de que la superficie no sea plana, esta se divide de campo que atraviesan la superficie. A este producto se en pequeñas superficies ds tal que cada una de ellas se le conoce como flujo magnético Φ pueda considerar plana. Φ=B·S El vector superficie S es un vector perpendicular a la El flujo elemental en ambos casos será ∂ф = B · S y el flujo superficie, como se indica en la figura. El flujo se define total será la suma (integral) de todos estos flujos como un producto escalar (Φ = B · S = B · S · cos θ), ya elementales: que si B y S forman un ángulo θ, el número de líneas de campo que atraviesan la superficie S depende de α, de Ф= ∫ ∂ф = ∫s B · ∂s modo que si θ = 90º el flujo es nulo y si θ = 0º el flujo es máximo.
  • 7. Ley de Lenz La regla para determinar el sentido de la corriente inducida fue establecida por Lenz en 1834 y se conoce como ley de Lenz: “El sentido de la corriente inducida es tal que se opones a la causa que la produce.” Si acercamos el polo norte de un imán a una espira incrementamos el flujo magnético a través de la espira, por tanto el sentido de la corriente inducida en la espira se opone a este incremento. Sin embargo si alejamos el imán el sentido de la corriente inducida se invierte.
  • 8. Experiencia de Henry Joseph Henry descubrió que si un conductor se mueve perpendicularmente a un campo magnético, se origina una diferencia de potencial entre los extremos del conductor. Si el conductor forma parte de un circuito cerrado, aparece una corriente eléctrica. En el experimento de Henry se puede explicar la aparición de la fuerza electromotriz inducida mediante la ley de Lorentz (Ley de la mano izquierda). Al desplazar la varilla conductora, los electrones del metal se mueven con una velocidad, v, en el interior del campo magnético, B, y sobre ellos actúa una fuerza Fm = q · v x B. La Fm desplaza los electrones hasta el extremo a de la varilla y se produce una acumulación de carga negativa en a y de carga positiva en b, que produce un campo eléctrico Fm = Fe que se opone al desplazamiento de nuevos electrones. En el equilibrio y por lo tanto q · v · B = q · E y de este modo E = v · B. Por tanto, el campo eléctrico inducido en el interior de la varilla (conductor) es directamente proporcional al campo magnético externo B y a la velocidad de la varilla. El campo inducido crea una diferencia de potencial Vf – Vo = E · l = v · B · l, que se mantendrá mientras persista el movimiento del conductor. Si se invierte el sentido del movimiento, la diferencia de potencial se invierte.
  • 9. Generadores eléctricos Un generador eléctrico es cualquier dispositivo que transforma una determinada energía en energía eléctrica. El alternador: consiste en una espira plana que se hace girar mecánicamente a una velocidad angular constante en un campo magnético uniforme creado por imanes permanentes. La frecuencia de la fuerza electromotriz coincide con la del movimiento en espira y viene dada por: f = ω / 2π La dinamo: consiste en una espira que se hace girar entre los polos de un imán, de modo que la variación del flujo magnético que atraviesa la espira genera una corriente inducida.
  • 10. Generadores eléctricos Motor eléctrico: consiste en una espira plana por la que circula una corriente eléctrica situada entre los polos de un imán. El campo magnético del imán ejerce sobre la espira un par de fuerzas que la hacen girar. Así se consigue realizar un trabajo mecánico. El galvanómetro: consiste en una bobina móvil situada en un campo magnético. La bobina experimenta una desviación proporcional a la corriente que circula por ella. Una aguja unida a la bobina indica una escala la intensidad de la corriente. Timbre eléctrico: es un dispositivo capaz de producir una señal sonora al pulsar su interruptor. Consiste en un circuito eléctrico compuesto por un generador, un interruptor y un electroimán. Su funcionamiento es muy sencillo. Al cerrar el interruptor, la corriente circula por arrollamiento del electroimán y este crea un campo magnético en su núcleo y atrae a la armadura.
  • 11. Generadores eléctricos Timbre eléctricoMotor eléctrico Galvanómetro
  • 12. Autoinducción La autoinducción es un fenómeno electromagnético que se presentan en determinados sistemas físicos como por ejemplo circuitos eléctricos con una corriente eléctrica variable en el tiempo. En este tipo de sistemas la variación de la intensidad de la corriente produce un flujo magnético variable, lo cual a su vez genera una fuerza electromotriz que afecta a su vez a la corriente eléctrica que se opone al flujo de la corriente inicial inductora, es decir, tiene sentido contrario. Inductancia: la fuerza electromotriz autoinducida en un circuito depende de la variación del flujo magnético. Este flujo magnético es proporcional a la intensidad, I, que recorre el circuito: Ф = LI La constante de proporcionalidad, L, recibe el nombre de coeficiente de autoinducción o inductancia y depende de las características físicas del circuito eléctrico. Una variación de intensidad en el circuito, ΔI, causa una variación del flujo magnético, ΔΦ = LΔI. Si esta variación tiene lugar en un tiempo Δt, la fem, inducida es, según la ley de Faraday: ε = - ∂ф / ∂t ; ε = -L · ∂I / ∂t Esta expresión indica que el coeficiente de autoinducción representa la fem autoinducida en un circuito cuando la intensidad de corriente varía un amperio en un segundo. El campo magnético en el interior de la bobina es uniforme y paralelo a su eje. Su modulo es: B = μ0 · N / I · I el flujo magnético a través de la bobina es: Φ= N · B · S = μ0· N^2 / I · SI Comparando este resultado con la definición de L, Ф = LI, vemos que el coeficiente de autoinducción de la bobina es: L= μ0· N^2 / I · S
  • 13. Inducción mutua Cuando fluye una corriente constante en una bobina como en la ilustración de la derecha, se produce un campo magnético en la otra bobina. Pero como el campo magnético no está cambiando, la ley de Faraday nos dice que no habrá voltaje inducido en la bobina secundaria. Pero si abrimos el interruptor, para interrumpir la corriente como en la ilustración del medio, habrá un cambio en el campo magnético de la bobina de la derecha y se inducirá un voltaje. Una bobina es un dispositivo reaccionario. El voltaje inducido hará que fluya una corriente en la bobina secundaria, que trata de mantener el campo magnético que había allí. El hecho de que el campo inducido siempre se oponga al cambio, es un ejemplo de la ley de Lenz. Una vez que ya se ha interrumpido la corriente y se cierra el interruptor para hacer que fluya de nuevo la corriente como en el ejemplo de la derecha, se inducirá una corriente en dirección opuesta, para oponerse al incremento del campo magnético. La persistente generación de voltajes que se oponen al cambio en el campo magnético es el principio de operación de un transformador.
  • 14. Inducción mutua El transformador: son dos bobinas de hilo conductor enrolladas alrededor de un un nucleo comun de hierro dulce y aisladas entre si. La bobina por la que se hace circular la corriente alterna de entrada recibe el nombre de circuito primario y la de la otra bobina, por la que circula la corriente transformada de salida, se llama circuito secundario. La fuerza electromotriz inducida en la bobina secundaria tiene la misma frecuencia que la corriente alterna de entrada. Sin embargo, es funcion de las características de las bobinas empleadas, la tension y la intensidad maximas de la corriente en los dos circuitos pueden ser distintas. Según la ley de Faraday: V1 = - N1 · ∂ф / ∂t V2= -N2 · ∂ф / ∂t De estas ecuaciones resulta la siguiente relación: V2 / V1 = N2 / N1 La relación de transformacion: V2 / V1 = I1 /I2 = N2 / N1
  • 15. Producción de energía eléctrica Centrales eléctricas Hidroeléctricas Térmicas NuclearesLas turbinas son movidas por el Las turbinas son movidas por Las turbinas son movidas poragua que cae por un desnivel. La vapor. El calor necesario para vapor. El calor necesario paraenergía primaria es energía obtener vapor procede de la obtener vapor se obtiene de lamecánica (energía potencial combustión de materiales fósiles, fisión nuclear en un reactorgravitatoria del agua) como carbón, petróleo o gas (energía nuclear) natural (energía química)
  • 16. Producción de energía eléctrica Centrales eléctricas Eólicas Solares GeotérmicasLas turbinas son accionadas por La energía eléctrica se obtiene sin Las turbinas se mueven con ellas aspas de los molinos que necesidad de turbinas mediante vapor generado por elmueve el viento. La energía células fotovoltaicas que generan calentamiento de una caldera conprimaria es energía mecánica electricidad al ser iluminadas por calor procedente del interior de la(energía cinética de traslación del el Sol. La energía primaria es la Tierra (generalmente aguaviento) energía de la radiación solar. caliente). La energía primaria es geotérmica.
  • 17. Impacto medioambiental. Centrales eléctricas Hidroeléctricas Térmicas Nucleares• Rendimiento: alto • Rendimiento: bajo (30% energía • Rendimiento: alto• Residuos tóxicos: no eléctrica) • Residuos tóxicos: sí, residuos•La creación de presas y embalses • Residuos tóxicos: sí, óxidos de azufre, radiactivos difíciles de eliminar oafecta al ecosistema, puestos elementos nitrógeno y carbono, y partículas almacenar.retienen la materia orgánica e solidas de la combustión. •Producen una considerable elevacióninorgánica que era transportada por el •Para reducir los residuos se de la temperatura en la zona donde serio y cambian la fisionomía del paisaje construyen chimeneas altas, se enfría el agua de refrigeración.y el hábitat natural de algunas especies. inyectan calizas y se usan precipitados •Existe el riesgo de contaminación electroestáticos. radiactiva por accidente. Eólicas Solares Geotérmicas• Rendimiento: muy bajo • Rendimiento: muy bajo. Sólo es muy • Rendimiento: muy bajo• Residuos tóxicos: no alto en lugares muy soleados. • Residuos tóxicos: no•Fuente de energía sostenible • Residuos tóxicos: no •Fuente de energía sostenible•Sólo son viables en lugares en los •Fuente de energía sostenible •Hay que localizar un subsuelo calientecuales hay un flujo relativamente fuerte •El coste de la implantación es muy o alguna fuente termal. Sus costes sonde viento. Tienen un impacto estético alto. No resultan muy rentables. muy altos ya que hay que perforar lasmuy notable en el paisaje. rocas.
  • 18. Síntesis electromagnética Las ondas electromagnéticas se diferencian en su frecuencia y su longitud de onda. El conjunto de todas las ondas constituye el espectro electromagnético. El espectro electromagnético se divide en partes que reciben nombres diferentes, aunque no existe una separación clara entre ellas.
  • 19. Síntesis electromagnéticaTipos de ondas electromagnéticasRayos gamma Se originan en las desintegraciones nucleares que emiten radiación gamma. Son muy penetrantes y muy energéticos.Rayos X Son muy energéticos y penetrantes, dañinos para los organismos vivos, pero se utilizan de forma controlada para los diagnósticos médicos.Rayos UVA El Sol es emisor de rayos ultravioleta, que son los responsables del bronceado de la piel. La radiación ultravioleta es absorbida por la capa de ozono, y, si se recibe en dosis muy grandes, puede ser peligrosa ya que impide la división celular, destruye microorganismos y produce quemaduras y pigmentación de la piel.Luz visible Los cables de fibra óptica permiten utilizar la luz visible para transmitir grandes volúmenes de información a grandes distancias, sobre todo con el uso del láser (luz monocromática y coherente).Radiacion infrarroja La fotografía infrarroja tiene grandes aplicaciones: en medicina (termografías), en la industria textil se utiliza para identificar colorantes, en la detección de falsificaciones de obras de arte, en telemandos, estudios de aislantes térmicos, cocina vitrocerámica halógena, etc.Radiación de Se utilizan en el radar, en radioastronomía, banda UHF de televisión, enlaces de telefonía móvil y en hornos eléctricosmicroondasOndas de radio Son ondas electromagnéticas producidas por el hombre mediante dispositivos electrónicos, sobre todo circuitos oscilantes, y se detectan mediante antenas.
  • 20. Ecuaciones de MaxwellPrimera ecuación de MaxwellEs el teorema de Gauss para el campo eléctrico: el flujo de campoeléctrico a través de cualquier superficie cerrada es proporcional ala carga eléctrica interior.Su evidencia experimental es la ley de Coulomb.∫s E · ∂s = Q /ε0Segunda ecuación de MaxwellEl flujo magnético a través de cualquier superficie cerrada es cero.La evidencia experimental de esta ley está en el hecho de que laslíneas de inducción magnética no convergen en ningún punto nidivergen de punto alguno. Esto es que no existen los polosmagnéticos, los polos magnéticos. siempre se representan enparejas.∫s B · ∂s = 0
  • 21. Ecuaciones de MaxwellTercera ecuación de MaxwellEs la ley de Faraday de la inducción electromagnética: uncampo magnético variable genera un campo eléctrico a sualrededor.La evidencia experimental de esta ecuación es el fenómeno dela inducción electromagnética.∫c E · ∂I = - ∂ / ∂t ·∫s B · ∂sCuarta ecuación de MaxwellEs el teorema de Ampère generalizado por Maxwell: un campomagnético puede ser producido por una corriente eléctrica opor un campo eléctrico variable.La evidencia experimental de esya ley está en las experienciasrealizadas por Oersted, Ampère y otros científicos.∫c E · ∂I = μ0 · I + μ0 · ε0 · ∂ / ∂t · ∫s E · ∂s

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