Electromagnetismo |
Ley de Faraday Espiras en un campo magnético variable (I) Espiras en un campo magnético variable (II) Demostración de la ley de Faraday (I) Demostración de la ley de Faraday (II) Acelerador de partículas El betatrón Varilla que se mueve en un c. magnético (I) Caída de una varilla en un c. magnético Movimiento de una espira a través de un c. magnético Medida del campo magnético
Galvanómetro balístico Corrientes de Foucault (I) Corrientes de Foucault (II) Inducción homopolar Un disco motor y generador Varilla que se mueve en un c. magnético (II) Momento angular de los campos EM (I) Momento angular de los campos EM (II) |
Ley de Faraday | |
| El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme. El movimiento de rotación de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroeléctrica, o por un chorro de vapor en una central térmica. En el primer caso, una parte de la energía potencial agua embalsada se transforma en energía eléctrica; en el segundo caso, una parte de la energía química se transforma en energía eléctrica al quemar carbón u otro combustible fósil. Cuando la espira gira, el flujo del campo magnético a través de la espira cambia con el tiempo. Se produce una fem. Los extremos de la espira se conectan a dos anillos que giran con la espira, tal como se ve en la figura. Las conexiones al circuito externo se hacen mediante escobillas estacionarias en contacto con los anillos.
Con este ejemplo, completamos las tres formas que hay de variar con el tiempo el flujo de un campo magnético a través de una espira, F =B·S, como producto escalar de dos vectores, el vector campo B y el vector superficie S.
Ley de Faraday y ley de Lenz
Supongamos que la espira gira con velocidad angular constante w . Al cabo de un cierto tiempo t el ángulo que forma el campo magnético y la perpendicular al plano de la espira es w t. El flujo del campo magnético B a través de una espira de área S es F =B·S=B·S·cos(w t)
La fem Ve varía sinusoidalmente con el tiempo, como se muestra en la figura. La fem alcanza su valor máximo en valor absoluto cuando w t=p/2 ó 3p/2, cuando el flujo F es mínimo (el campo magnético está en el plano de la espira), y es nula cuando w t=0 ó p, cuando el flujo es máximo (el campo magnético es perpendicular al plano de la espira). Sentido de la corriente inducida Aplicando la ley de Lenz podemos determinar el sentido de la corriente inducida. El sentido viene determinado por el movimiento de portadores de cargas positivos representados por puntos rojos.
Fuerza sobre los portadores de cargaEl sentido de la corriente inducida lo podemos determinar a partir de la fuerza sobre un portador de carga positivo imaginariamente situado en el lado a de la espira. Como ya hemos estudiado la fuerza fm que ejerce un campo magnético B sobre un portador de carga positivo que se mueve con velocidad v es el producto vectorial
En la figura, se ha dibujado el vector velocidad cuyo módulo es v=w·b/2. y el vector campo B en la posición que ocupa un portador de carga positivo representado por un punto de color rojo.
Como v y B forman el ángulo w t, el módulo de la fuerza es fm=qw (b/2)B·sen(w t). El campo En =fm/q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es En= w (b/2)B·sen(w t) La fem Ve es
Como puede verse en la figura, En es paralelo a los lados de longitud a de la espira, pero es perpendicular a los lados de longitud b y por tanto, el producto escalar En·dl en estos dos lados es nulo. El sentido de la corriente inducida es el mismo que el sentido de fm o de En (fuerza sobre la unidad de carga positiva). Hemos obtenido la fem y el sentido de la corriente inducida por dos procedimientos distintos.
ActividadesEn el applet se representa una espira de dimensiones fijas b=10 y a=30 cm, en el seno de un campo magnético uniforme B. Se introduce
Se pulsa el botón titulado Empieza, La espira comienza a girar. A la derecha del applet, tenemos una representación tridimensional, se dibujan el vector campo y el vector superficie y la corriente inducida mediante el movimiento de puntos rojos que representan a portadores de carga positivos. Podemos comprobar la ley de Lenz, es decir, el sentido de la corriente inducida cuando el flujo aumenta y cuando disminuye. En la parte inferior izquierda del applet, tenemos la representación bidimensional del fenómeno. Se usan los símbolos habituales para representar una corriente entrante o saliente. En este caso se dibuja el vector campo magnético y el vector velocidad sobre un imaginario portador de carga positivo situado en cada uno de los lados de longitud a de la espira. En la parte superior izquierda, se realiza una representación gráfica del flujo (en color azul) y de la fem en color rojo en función del tiempo. El tiempo que tarda la espira en dar una vuelta completa es P=2 p/w . El lector puede dibujar sobre papel representaciones similares, calculando la fem en algunos instantes Ejemplo
En el instante t en el que w t= p /2 la fem vale Vε=0.3·0.2·0.004·1·sen(p /2)=240.0·10-6 V
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Generador de corriente
alterna
