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Energia Producida Por Electromagnetica
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Energia Producida Por Electromagnetica

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  • 1. ENERGIA ELECTRICA PRODUCIDA POR FENOMENOS ELECTROMAGNETICOS Luis Felipe De La Hoz Cubas, María Ilse Dovale Pérez y Carlos Andrés Peralta Medina División de Ingenierías Universidad del Norte Barranquilla 18 de Mayo del 2007 Resumen Como es de saberse, una corriente eléctrica produce un campo magnético, pero la relación mutua de la electricidad y el magnetismo no se detiene ahí. A continuación veremos como bajo ciertas condiciones, es posible utilizar un campo magnético para producir una corriente eléctrica, para esto hay que tener en cuenta como el campo magnético varia con el tiempo, o también, si una espira de alambre atraviesa dicho campo o rota dentro de este, si esto sucede entonces podemos decir que se induce una corriente en el alambre. Abstract As it is of being known, an electric current produces a magnetic …eld, but the mutual relation of the electricity and the magnetism doesn’ stop there. Next we will see like under certain conditions, t it is possible to use a magnetic …eld to produce an electrical current, for this it is necessary to keep in mind how the magnetic …eld varies with the time, or also, if a wire spire crosses this …eld or rotates inside this, if it happens then we can say that a current is induced in the wire. Índice 1. CAMPO MAGNETICO DE UN SOLENOIDE 2 2. CAMPO MAGNETICO DE UN IMAN PERMANENTE 4 3. LEY DE FARADAY Y LEY DE LENZ 4 4. INDUCTANCIA 6 4.1. INDURTORES EN CIRCUITOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4.1.1. CIRCUITOS RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1
  • 2. INTRODUCCION Muchos de nosotros quedamos fascinados con el comportamiento de los imanes, al observar la atrac- ción o repulsión que estos ejercen sobre otros imanes o sobre pedazos de metal estamos experimentando una fuerza magnética. No se sabe mucho de los primeros usos que le dio el hombre al magnetismo, se cree que las primeras rocas magneticas se encontraron en una región llamada quot;Magnesiaquot;( de donde se deriva el nombre de magnetismo) en la actual Turkía; aunque por muchos años se le atribuía el quot;poderquot;de los imanes a fuerzas sobrenaturales. Ahora el magnetismo se asocia con la electricidad (electromagnetismo) ya que ambos parecen ser aspectos de una sola fuerza fundamental (la fuerza electromagnética). Los usos de las relaciones entre la electricidad y el magnetismo son numerosos, un ejemplo de importancia fundamental para todos nosotros es como en Colombia se genera la energía eléctrica a partir de dos sistemas: Hidroeléctricos y Termoeléctricos; con base en los experimentos realizados veremos por qué los fenómenos electromagnéticos son el fundamento de la producción y transmisión de la electricidad que se utiliza en las casas y la industria. 1. CAMPO MAGNETICO DE UN SOLENOIDE Como ya es de conocerse, toda corriente eléctrica crea un campo magnético, cuyas características dependen de la forma del conductor y la intensidad de la corriente que lo atraviesa. Así, un conductor rectilíneo crea un campo magnético cuyas líneas de fuerza son circunferencias con centro en la espira cuya inducción magnética, en un punto situado a una distancia d del mismo, viene dada por la formula: I B= 4 r Por otra parte, una espira circular crea un campo magnético cuyas líneas de fuerzas son circunfer- encias con centro en la espira, y cuya inducción magnética, en el centro de la espira es: I B= 2r Donde r es el radio de la espira. Entre los diferentes diseños de conductores, el más importante, bajo el punto de vista de la gen- eración de los campos magnéticos es el llamado Solenoide. Un solenoide es un conductor enrollado en el espiral de de forma que las espiras se encuentren muy próximas. Cuando un solenoide es atravesado por una corriente, se crea un campo magnético, uniforme en el interior, pero no en las proximidades de sus extremos; esto es, la inducción magnética es la misma en todos los puntos, Cuando se sitúa una aguja imantada cerca de un solenoide, es desviada de modo que su dirección tienda a ser paralela al eje de las espiras del solenoide. Desplazando la aguja alrededor de la bobina, o espolvoreando limaduras de hierro sobre un plano que atraviesa la bobina, es posible dibujar las líneas de fuerza del campo magnético creado por el solenoide. Cuando el solenoide tiene la forma de un cilindro muy largo, el campo magnético en el interior del mismo es prácticamente uniforme lejos de sus extremos, paralelo al eje del solenoide y proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica que recorre el solenoide, así como al número de espiras de la bobina. viniendo determinada por la fórmula: Nl B= I Donde: N = número de espiras I = intensidad de la corriente 2
  • 3. l =longitud del solenoide =una característica de la sustancia que constituye el núcleo al que esta enrollado el solenoide. En el aire o en el vació, u es una cantidad constante, cuyo valor es: o = 4 10 7 (T: m ) A Como se puede observar en la …gura, el sentido de las líneas de fuerza en el interior del solenoide es el del avance de un saca corchos que gira en sentido de la corriente. Hay que hacer observar que al ser atravesado por una corriente, un solenoide se convierte en un imán, cuyos polos norte y sur son los extremos por donde salen y entran, respectivamente, las líneas de fuerza. En la experiencia se mide el campo magnético dentro de un solenoide y comparamos este con el campo magnético teórico basándonos en el valor de la intensidad de corriente a través del solenoide. Al mover el sensor de campo magnético dentro del solenoide podemos detectar la intensidad de B en función del tiempo, veamos la grá…ca: Podemos ver muy claramente que el campo magnético se hace más fuerte en el centro del solenoide, a continuación comprobamos que tanto los datos teóricos como los experimentales tienen valores muy cercanos lo que nos comprueba la veracidad de nuestra información: l = 10;84 10 2 N = 2920vueltas: N 2920 2 n= l = 10;84 10 2 = 269;37 10 Los datos prácticos nos revelan el número de vueltas que el solenoide posee, ahora teoricamente comprovamos dicho valor: ml (340)(10;84) N= = = 2932 o 4 10 7 3
  • 4. 2. CAMPO MAGNETICO DE UN IMAN PERMANENTE Una de las primeras cosas de las que nos damos cuenta al observar un imán es que tiene dos polos o çentros de fuerzaquot;distinguidos como polos norte y sur. Con dos barras de imán observamos un patrón de atracción y repulsión análogo al comportamiento de las cargas eléctricas iguales y contrarias, esta ley en los imanes es llamada Ley de los Polos: quot;Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnétivos contrarios se atraenquot;. Algo muy curioso es que los polos magnéticos siempre aparecen en pares, los llamados quot;dipolos magnéticosquot;. De igual forma como vimos campos eléctricos producidos por cargas estacionarias, consideraremos en este caso el Campo Magnético que rodea a cualquier imán, este es una magnitud vectorial y se representa con B: La dirección de un campo magnético en cualquier posición tiene la dirección que señala el polo norte de una brújula si la brújula se coloca en esa posición, esto se debe a que la la aguja de la brújula es un imán pequeño y debido a la fuerza magnética, causa que la aguja se alinee con el campo , entonces decimos que la dirección del campo magnético en cualquier punto tiene la dirección de la fuerza sobre un polo norte magnético. El diseño que siguen las lineas de campo magnético que rodea un imán se puede ver si se rocía limaduras de hierro sobre un imán cubrierto con una hoja de papel, ya que las limaduras de hierro se convierten en pequeños imanes inducidos y se alinean con el campo, como vemos en la imagen: Por ultimo pudimos comprobar experimentalmente que midiendo el campo magnético de forma radial este es mas intenso que si lo medimos de forma axial debido a la forma de las lineas de campo que emite la piedra. 3. LEY DE FARADAY Y LEY DE LENZ Hay varias maneras de inducir una corriente en un conductor, comprobamos experimentalmente que si dejamos caer un imán dentro de una bobina o bien sea una espira de alambre y generamos una gra…ca de voltaje contra tiempo como la que veremos a continuación, esto nos indica que existe una corriente en dicha espira. Debemos tener en cuenta que los picos en la gra…ca y el área bajo la curva de esta son relativos dependiendo del movimiento relativo del imán y su rapidez. 4
  • 5. Grá…ca 1: Voltaje vs Tiempo cuando un imán se mueve dentro de la bobina Como vemos la grá…ca nos muestra un pico máximo en 6.8, lo cual signi…ca el voltaje maximo alcanzado por el sistema, el trazo que observamos en la grá…ca es la FEM en función del tiempo, aplicando la Ley de Faraday tenemos entonces: d = dt Integramos ahora respecto al tiempo R R dt = d t= Esto nos da como resultado el ‡ del campo magnético, lo cual signi…ca el área bajo la curva que ujo vemos en la …gura . Se dice que la corriente inducida en una espira se crea a partir de una fuerza electromotriz (FEM) inducida y que se debe a la inducción electromagnética. Cabe recordar que una FEM representa energía capaz de conducir cargas en torno a un circuito. En el caso de un imán en movimiento y una espira estacionaria la energía mecánica se convierte en energía eléctrica. Los experimentos de inducción electromagnética fueron llevados a cabo alrededor de 1830 por Michael Faraday en Inglaterra, de ahí el nombre de la Ley de Faraday; el comprobó que el factor importante en la inducción electromagnética era el intervalo de tiempo del cambio en el campo elec- tromagnético a través de la espira, en otras palabras: “Se puede producir una FEM inducida en una espira si se cambia el campo magnético, o mas especí…camente, si se cambia el número de líneas del campo que pasan a través de la espira” . Debido a que la FEM inducida en una espira depende del cambio en el número de líneas de campo que lo atraviesan, la capacidad para cuanti…car el número de líneas a través de la espira en cualquier momento puede ser de gran utilidad. El número de líneas del campo a través de la espira depende de su orientación con respecto al campo B. Para describir esto s utiliza un vector A normal al plano de la espita, que sera el vector de area, y cuya magnitrud es igual al area de la espira. La orientación de la espira se puede describir por el angulo , que es el angulo entre A y B. En general, una medida relativa del número de líneas de campo que pasan a través de un área determinada, está dada por el ‡ujo magnético ( ) que se de…ne como: = BA cos 5
  • 6. Si B y A son paralelas, entonces = 0, en este caso el ‡ujo magnético es el máximo ( = BA), en caso tal de que B y A sean perpendiculares no habrá lineas de campo que pasen por el área determinada, entonces = 0 A partir de sus experimientos, Faraday llegó a la conclusión de que la FEM inducida en una espira en el intervalo de tiempo depende del número de líneas de campo a través de la espira, o el cambio del ‡ magnético en un intervalo de tiempo. ujo = N t Ley de Faraday Es decir, es eñ cambio en el ‡ ujo a través de N espiras de alambre en un tiempo t, hay que tener en cuenta que es un valor promedio sobre el intervalo de tiempo t;el signo menos de la ecuación indica la polaridad de la FEM inducida, que se encuentra si se considera la corriente inducida y su efecto de acuerdo con la Ley de Lenz: Üna FEM inducida da origen a una corriente cuyo campo magnético es opuesto al cambio en el ‡ que la produjoquot;. ujo Es decir, si el ‡ ujo aumenta, la bobina lo disminuirá; si disminuye lo aumentará. Para conseguir estos efectos, tendrá que generar corrientes que, a su vez, creen ‡ que se oponga a la variación. Se ujo dice que en la bobina ha aparecido una corriente inducida, y, por lo tanto, una fuerza electromotriz inducida. Basándonos en esto podemos explicar la razón por la cual el pico de entrada y salida en la grá…ca 1 tienen dirección opuesta, y esto es debido a que esta ley incorpora la conservación de la energía lo que signi…ca lo anterior. 4. INDUCTANCIA Si tomáramos un alambre de cobre y lo enrollamos en un lápiz para formar una bobina y ponemos esta bobina en un circuito, esta se comporta de manera diferente que un tramo recto de alambre. Bobinas de esta clase hacen posibles maravillas como lo autos eléctricos, los cuales con un cumulador de 12 volts suministran miles de volts a las bujías lo que permite que el motor se ponga en marcha. 4.1. INDURTORES EN CIRCUITOS Un inductor en un circuito es un elemento del circuito como lo es una fuente, un capacitor o una resistencia, pero una diferencia importante es que cuando incluimos un inductor a un circuito todos los voltajes, corrientes y cargas del capacitor son en general funciones del tiempo y no constantes como habíamos visto en los circuitos que contienen solo capacitores resistencias o ambos. Pero algo importante al momento de analizar estos circuitos es que las reglas de Kirchho¤ siempre s cumplen cuando los voltajes y corrientes varían con el tiempo, en todo momento. 4.1.1. CIRCUITOS RL Hay muchos cosas que podemos apreciar en un circuito RL; que es un circuito que incluye tanto un resistor como un inductor y posiblemente una fuente, el inductor tiene la tarea de prevenir cambios rápidos de corriente, lo cual puede ser útil si se necesita una corriente estable, el resistor puede ser un elemento del circuito individual, así como también puede ser la resistencia de los devanados del inductor, y en la practica todos los inductores tienen cierta resistencia, a menos de que estos estén hechos por alambres superconductores. Si tenemos un circuito RL con una fuente un resistor y un inductor como se muestra en la …gura 1, En el momento en que la fuente la resistencia y el inductor están en serie la diferencia de potencial en los extremos del inductor seria, es decir S1 estuviera cerrado y S2 abierto seria: 6
  • 7. Fig1. Circuito RL Vab = iR Y la diferencia de potencial entre los bornes del inductor serian: di Vbc = L dt Si aplicaos Kirchho¤ tendríamos que: di iR L =0 dt despejando di=dt tendríamos que: di iR R = = i dt L L L En el instante en que se cierra S1 por primera vez , y la caída de potencial entre los extremos de R es cero, la rapidez de cambio inicial de la corriente es: Y como es de esperarse mientras mas grande sea la inductancia L mas lento será el aumento de corriente. di Mientras la corriente crece y ( R )i de la ecuación anterior se hace mas grande también aumenta L dt y la rapidez de la corriente se vuelve cada vez mas pequeña, esto signi…ca que la corriente se aproxima a un valor estable I, cuando la corriente alcanza este valor, su crecimiento es cero y la ecuación nos queda. di = dt inicial L Y como es de esperarse mientras mas grande sea la inductancia L mas lento será el aumento de corriente. Mientras la corriente crece y (R=L) i de la ecuación se hace mas grande di=dt también aumenta y la rapidez de la corriente se vuelve cada vez mas pequeña, esto signi…ca que la corriente se aproxima a un valor estable I, cuando la corriente alcanza este valor I , su crecimiento es cero y la ecuación nos queda. 7
  • 8. di R =0= I dt f inal L L I= R La corriente …nal I no depende de la Inductancia, de echo es la misma que si solo estuviera la fuente y el resistor, la corriente se comporta como en la …gura 2, como lo demostraron las practicas en el laboratorio. Fig. 2 - I Vs t Como vemos en la …gura la corriente i primero crece rápidamente y después tiende asintóticamente a un valor que esa dado por I = quot;=R , en un tiempo L=R la corriente ha aumentado a (1 1=e) de o aproximadamente el 63 % de su valor …nal y por esto R=L es una medida de rapidez con la que la corriente se incrementa hacia su valor …nal y se le conoce como la constante de tiempo del circuito y se denomina con el símbolo (tao) . R = L Ahora bien Si suponemos que el interruptor S1 ha sido abierto después de un largo tiempo, y se cierra S2 al mismo tiempo para que no se arruine la batería, en un tiempo t = 0, la corriente no se reduce instantáneamente a cero si no que se debilita de manera gradual, y la corriente i varia en el tiempo de acuerdo con: (R=L)t i = I0 e donde I0 es la corriente en un tiempo t = 0 y en este caso la constante de tiempo es = L=R ;y es el tiempo en que la corriente disminuye a 1=e , aproximadamente un 37 % de su valor original. La energía necesaria para mantener la corriente circulando aunque la resistencia este actuando, proviene del inductor, mas especí…camente de la energía almacenada en el campo magnético del in- ductor, la energía almacenada en el inductor disminuye con una rapidez igual al ritmo se disipación de la energía en el resistor. di 0 = i2 r + Li dt en este caso Li (di=dt) es negativo en la ecuación y la energía disipada en el resistor con respecto al tiempo es i2 R. 8
  • 9. CONCLUSION Para empezar hablar de las distintas clases de fenómenos que crean la energía eléctrica primero tenemos que tener claro su de…nición para poder determinar como y porque se produce esta. La energía eléctrica se produce por el movimiento de cargas eléctricas como vimos anteriormente. Básicamente las fuentes o la producción de energía eléctrica se dan gracias a las centrales eléctricas que son quienes suministran estas fuentes. Una central eléctrica esencialmente, es una instalación que emplea en determinada cantidad una fuente de energía primaria para hacer girar ya sea mediante agua, vapor o gas las paletas de una turbina que, a su vez, puede hace girar una gran bobina en el interior de un campo magnético, generando así la electricidad. Faraday comprobó que si se mueve un imán cerca de un hilo metálico en espiral o en bobina (que no está conectado a una pila), por el hilo circula electricidad. Lo mismo sucede cuando se mueve la bobina y se mantiene …jo el imán; se consigue una circulación de electricidad, que recibe el nombre de corriente inducida. Así, el objetivo de las actuales centrales eléctricas es tratar de hacer girar campos magnéticos de gran intensidad inducidos en el rotor de los alternadores cerca de grandes bobinas de los mismos para generar así una corriente eléctrica. Cuando hablamos de una central hidroeléctrica hacemos referencia al agua como medio para crear la energía eléctrica. Hay muchos métodos de utilizarla apropiadamente ya sea como una corriente natural o una corriente arti…cial, (también transportarla por unos conductos o tuberías forzadas controlados por válvulas) la que por efecto de un desnivel, y caiga con fuerza sobre el grupo turbina-alternador de la central. El agua que llega a alta presión a la turbina, esta incide en sus paletas, haciendo girar su eje, el cual va conectado a un generador produciendo así en éste energía eléctrica El objetivo básicamente de este método de “creación”de energía es aprovechar mediante un desniv- el, la energía potencial contenida en la masa de agua que transportan los ríos para convertirla en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a alternadores. Cuando la corriente del río asegura una aportación regular de agua, la energía potencial de ésta puede ser utilizada directamente sin necesidad de almacenar previamente el agua, pero en muchos casos el agua puede ser almacenada. La energía hidráulica es una buena opción ya que es una fuente de energía renovable y lo más importante es que no genera CO2. Cuando hablamos de una central termoeléctrica nos referimos a la utilización de la presión la cual produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, petróleo o gas en una caldera diseñada al efecto con la ayuda de la temperatura. Una Central Termoeléctrica “clásica” es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y, por tanto, obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El apelativo de clásicas o convencionales que le dimos anteriormente sirve para diferenciarlas de otros tipos de centrales termoeléctricas (nucleares y solares, por ejemplo), las cuales generan electricidad a partir de un ciclo termodinámico, pero mediante fuentes energéticas distintas de los combustibles fósiles empleados en la producción de energía eléctrica desde hace décadas y, sobre todo, con tecnologías diferentes y mucho mas recientes que las de las centrales termoeléctricas clásicas. Las centrales termoeléctricas básicamente lo que hace es: Aprovechar el vapor de agua el cual es el agente que acciona las palas de la turbina, convirtiendo la energía calorí…ca en energía mecánica, la cual da lugar posteriormente a la generación de energía eléctrica. El sistema de generación colombiano cuenta con una capacidad instalada de 13.363 MW, de los cuales el 64 % son plantas hidroeléctricas, el 28 % son plantas térmicas a gas, el 5 % son térmicas a carbón y un 3 % de plantas que usan otras fuentes de energía. El 60 % de la capacidad instalada es de propiedad privada y el 40 % es propiedad pública. Esto quiere decir que en Colombia como en todo el mundo el sistema más e…caz, económico y efectivo sigue siendo las centrales hidroeléctricas. 9
  • 10. BIBLIOGRAFIA [1].Tippens, Paul E. FÍSICA conceptos y aplicaciones, Ediciones McGraw Hill. [2].Hewitt, Paul E. FÍSICA CONCEPTUAL 3a edición, Ediciones Pearson. [3].Sears, Zemansky, Young, Freedman. FÍSICA UNIVERSITARIA con física moderna 11o edición, Ediciones Pearson. [4].Bautista B, Mauricio. FÍSICA II, Ediciones Santillana. [5].Mendoza, Ripoll, Miranda. FÍSICA EXPERIMENTAL Electricidad y Magnetismo 2a Edición, Ediciones Uninorte. [6].Fuentes de internet: http://html.rincondelvago.com/centrales-electricas-e-hidroelectricas.html 10

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