Hace dos mil años aproximadamente, unos pastores de magnesia (ciudad antigua de Turquía), cuando conducían a sus corderos a cierto paso, sintieron una fuerte atracción hacia el suelo debido a la punta metálica de su bastón y a los clavos de sus calzado, que les dificulto seguir caminado. Interesados por encontrar la causa removieron la tierra y descubrieron una roca negra, la cual atraía el hierro.
Hoy esta roca recibe el nombre de pueda imán
o magnética; químicamente es un mineral de oxido de hierro cuya fórmula es
Más adelante, la gente descubrió que al
colgar libremente de un hilo un pedazo largo y delgado de la roca negra de
magnesia, esta daba varias vueltas hasta detenerse y apuntar siempre el mismo
extremo hacia el polo norte geográfico y el otro al polo sur; por ellos la
usaron como brújula con el propósito de orientarse durante largos viajes. Existen
bases para suponer que en año 121 a.C. los chinos usaban el imán como brújula.
William Gilbert (1540-1603) demostró que
la tierra se comporta como un enorme imán, también demostró que cuando un imán
se rompe e varios trozos, cada uno de convierte en un nuevo imán con sus
respectivos polos magnéticos. Por tanto, no existen polos magnéticos separados,
contrarios a las cargas eléctricas que si se separan.
Gilbert demostró que los polos iguales se
rechazan y polos diferentes se atraen.
El campo magnético de un imán es la zona
que lo rodea y en el cual si influencia puede detectarse. Faraday imagino que de
un imán salían hilos o líneas que se esparcían, a estas las llamo líneas de
fuerza magnética. Dichas líneas aumentan en los polos, pues ahí es mayor la
intensidad magnética.
Actualmente se sabe que la atracción
ejercida por la roca negra sobre la punta metálica del bastón de los pastores
se debió a su propiedad magnética. Magnetismo es la propiedad que tienen los
cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, al níquel y al cobalto.
La importancia de los imanes y del
magnetismo es muy grande porque se utilizan en muchos aparatos, tales como:
timbres, alarmas, teléfonos, conmutadores, motores eléctricos, brújulas y
separadores de cuerpos metálicos de hierro, entre otros.
William Gilbert (1540-1603), medico e
investigador ingles, demostró con sus experimentos que la tierra se comporta como un imán
enorme, por tanto obliga a un extremo de la brújula a apuntar al norte
geográfico. Gilbert nombro polo que busca el norte, a la punta de la
brújula que señala ese punto, y polo que busca el sur, al otro extremo;
actualmente solo se les llama polo norte y polo sur. También demostró que cuando un imán
se rompe en varios pedazos, cada uno se transforma en uno nuevo con sus dos
polos en cada extremo.
Imanes permanentes y temporales.
La mayoría de los imanes utilizados ahora
son artificiales,
pues se pueden fabricar con una mayor intensidad magnética que los naturales,
además de tener mayor solidez y facilidad para ser moldeados según se requiera.
No todos los metales pueden ser imantados y otros, aunque pueden adquirir esta
propiedad, se desimantan fácilmente, ya sea por efectos externos o en forma
espontanea. Muchos imanes se fabrican con aleaciones de hierro, níquel y aluminio; hierro
con cromo, cobalto, tungsteno o molibdeno.
El inglés Michael Faraday (1791-1867) estudio los efectos producidos por los imanes. Observo que un imán permanente ejerce una fuerza sobre un trozo de hierro o sobre cualquier imán cercano a él, debido a la presencia de un campo de fuerzas cuyos efectos se hacen sentir incluso a través de un espacio vacio. Faraday imagino que de un imán salían hilos o líneas que se esparcían, a estas las llamo líneas de fuerza magnética. Dichas líneas se encuentran mas en los polos pues ahí la intensidad es mayor.
Las líneas de fuerza producidas por un imán,
ya sea de barra o de herradura, se esparcen desde el polo norte y se curvan
para entrar al sur (figuras 13.4 y 13.5). A la zona que rodea un imán y en la cual su
influencia puede detectarse recibe el nombre de campo magnético. Faraday
señalo que cuando dos imanes se encuentran cerca uno de otro, sus campos magnéticos
se interfieren recíprocamente.
Cuando un polo norte se cuenta cerca de
uno sur, las líneas de fuerza se dirigen del norte al sur; cuando se acercan
dos polos iguales, las líneas de cada uno se alejan de las del otro (figuras 13.6 y
13.7).Densidad de flujo magnético.
El concepto propuesto por Faraday acerca
de las líneas de fuerza es imaginario, pero resulta muy útil para dibujar los
campos magnéticos y cuantificar sus efectos. Una sola línea de fuerza equivale a
la unidad del flujo magnético
en el sistema CGS y recibe el nombre de
maxwell. Sin embargo, esta es una unidad muy
pequeña de flujo magnético, por lo que en el Sistema internacional se
emplea una unidad mucho mayor llamada weber y cuya equivalencia es la siguiente:
Un flujo magnético
.jpg)
que atraviesa perpendicularmente una unidad de área A recibe el nombre de densidad de flujo magnético o inducción magnética B (figura 13.8)..jpg)
Por definición: la densidad del flujo magnético en una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza (o sea al flujo magnético) que atraviesan perpendicularmente a la unidad de área.
Matemáticamente se expresa:
.jpg)
En el SI la unidad de densidad del flujo magnético es el
.jpg)
Cuando el flujo magnético no penetra perpendicularmente un área, sino que lo hace con un cierto ángulo, la expresión para calcular la densidad del flujo magnético será:
.jpg)
En conclusión, la densidad del flujo magnético es un vector que representa la intensidad, dirección y sentido del campo magnético en un punto.
Resolución de problemas de flujo magnético.
1. En una placa circular de 3 cm de radio
existe una densidad de flujo magnético de 2 teslas. Calcular el flujo magnético
total a través de la placa, en webers y maxwells.
2. Una espira de 15 cm de ancho por 25 de largo
forma un ángulo de 27° respecto al flujo magnético. Determinar el flujo
magnético que penetra por la espira debido a un campo magnético cuya densidad
de flujo es de 0.2 teslas.
.jpg)
Ejercicios propuestos.
1. En una placa rectangular que mide 1 cm
de ancho por 2 cm de largo, existe una densidad de flujo magnético de 1.5 T. ¿Cuál es el flujo magnético total a
través de la placa en webers y maxwells?
2. Calcular el flujo magnético que
penetra por una espira de 8 cm de ancho por 14 cm de largo y forma un ángulo de
30° respecto a un campo magnético cuya densidad de flujo es de 0.15 T.
Permeabilidad magnética e intensidad de campo magnético.
En virtud de que la densidad del flujo B en cualquier región particular de un
campo magnético sufre alteraciones originadas por el medio que rodea al campo, así
como por las características de algún material que se interponga en los polos
de un imán conviene definir dos nuevos conceptos: la permeabilidad magnética
y la intensidad del campo magnético H.
Permeabilidad magnética.
.jpg)
La permeabilidad magnética de diferentes medios se representa con la letra griega
.jpg){kind=small}
Para fines prácticos la permeabilidad del aire se considera igual a la permeabilidad del vacio.
La permeabilidad relativa de una
sustancia se calcula con la expresión:
También podemos señalar que la permeabilidad relativa de una sustancia o de un material, es una medida de su capacidad para modificar la densidad de flujo de un campo magnético.
En el caso de aquellas sustancias que
prácticamente no se imantan, el valor de su permeabilidad relativa
.jpg)
res menor de uno.
Los materiales
que sin ser ferromagneticos se logran imantar tienen permeabilidad
relativa ligeramente mayor a la unidad. Las sustancias ferro magnéticas
alcanzan valores muy elevados de permeabilidad relativa, como el
ferrosilicio cuyo valor llega a ser de
66 mil.
Intensidad del campo magnético
Para un medio dado, el vector intensidad
del campo magnético el es cociente que resulta de la densidad del flujo magnético
entre la permeabilidad magnética del medio:
.jpg)
Resolución de un problema de intensidad
del campo magnético.
Una barra de hierro cuya permeabilidad
relativa es de 12 500 se coloca en una región de un campo magnético en el cual
la densidad del flujo magnético es de 0.8 teslas. ¿Cuál es la intensidad del
campo magnético originado por la permeabilidad del hierro?
.jpg)
Ejercicio propuesto.
Se coloca una placa de hierra con una
permeabilidad relativa de 12 500 en una región de un campo magnético en el cual
la densidad de flujo vale 0.5 T. Calcular la intensidad del campo originada por
la permeabilidad del hierro.
Nuestro globo terrestre se comporta como
un enorme imán que produce un campo magnético cuyos polos no coinciden con los
globos geográficos (figura 13.10). Fue, como ya señalamos, el inglés
William Gilbert quien lo demostró con sus experimentos. Para ello, pulió un
pedazo de roca de magnetita a fin de hacer una esfera, y con la ayuda de una
brújula colocada en diferentes puntos de esta comprobó que un extremo de la
brújula siempre apuntaba hacia el polo norte de la esfera, tal como apunta
hacia el polo norte de la tierra. Existen varias teorías que tratan de explicar
la causa del magnetismo terrestre.
Declinación magnética
Mientras el campo magnético terrestre
sufre pequeñas variaciones constantes, la declinación magnética de un
lugar presenta variaciones provocadas por cambios que se dan cada siglo,
aproximadamente, y hacen variar el ángulo de declinación de 5 a 10' de arco.
También existen variaciones diurnas que alteran en 10' dicho ángulo y
variaciones accidentales originadas por las tormentas magnéticas producidas por
los paroxismos (extrema intensidad) de la actividad solar, que llegan incluso a
suspender momentáneamente las comunicaciones por radio a larga distancia.
Como las líneas de fuerza de un campo magnético
salen del polo norte y entran en el polo sur, una aguja magnetizada que gire
libremente se orientara en forma paralela a las líneas del campo. Así, el polo
norte de la aguja se orientara al polo norte magnético de la tierra y además
tendrá una cierta inclinación respecto al plano horizontal (figura 13.12).
Veamos, en caso de colocarla en algún punto cerca del ecuador su posición
respecto al plano horizontal será casi paralela; sin embargo, al ubicársele a
algún punto cercano a los polos magnéticos terrestres, la posición de esta
respecto al plano horizontal será en forma perpendicular a el. Por definición: la
inclinación magnética es el ángulo que forma la aguja magnética, es decir, las
líneas de fuerza en el campo magnético, con el plano horizontal. Una brújula de
inclinación es aquella con una suspensión tal que le permite oscilar en un
plano vertical, por ellos puede medir el ángulo de inclinación.
Teorías del magnetismo
Existen varias teorías que tratan de
explicar por que se magnetizan algunas sustancias; la mas aceptada actualmente
es la del físico alemán Guillermo Weber (1804-0891). Dicha teoría establece que
los
metales magnéticos como el hierro, cobalto y níquel, están formados
por innumerables imanes elementales muy pequeños. Antes de magnetizar
cualquier trozo de alguno de estos metales, los diminutos imanes elementales
están orientados al azar, es decir, en diferentes direcciones (figura 13.13a).
Cuando se comienzan a magnetizar algún trozo de estos metales, los imanes
elementales giran hasta alinearse en forma paralela al campo que los magnetiza
totalmente (figura 13.13b).
Cuando se magnetiza el hierro dulce por
inducción, se observa que al retirar el campo magnetizante desaparece la
imantación del metal y los diminutos imanes elementales vuelven a su antigua
orientación desordenada. En cambio, cuando se imanta el acero templado, estos
imanes quedan alineados a un después de haber retirado el campo magnetizado (figura 13.14).
Los imanes pueden perder su magnetismo
por las siguientes causas:
a)
Golpes
o vibraciones constantes.
b)
Calentamiento,
ya que la temperatura del rojo desaparece totalmente el magnetismo (la
temperatura a la cual un material pierde sus propiedades magnéticas se le llama
temperatura de Curie).
c)
Influencia
de su propio campo magnético, pues su campo magnético exterior es de sentido
opuesto al del eje de imantación.
Una preocupación de los científicos es la
de producir nuevos materiales útiles en la construcción de imanes mas potentes.
Para ello, se han basado en el conocimiento de que un cuerpo magnético presenta
zonas de pequeñas dimensiones llamadas dominios magnéticos, los cuales consiste
en pequeños átomos imantados, alineados paralelamente entre si. Unos dominios
incrementan su tamaño por la influencia cercana de otros hasta lograr la
saturación y todos ellos quedan orientados. Los investigadores han encontrado
materiales magnéticos que pueden alterar sus dominios, por lo cual los átomos
imantados se alinean con el campo de su alrededor; esto resulta en la formación
de imanes fuertes y permanentes, pues los dominios permanecen iguales a un
después de que se ha retirado el campo magnetizante.
La teoría de los dominios permitió
considerar la posibilidad de triturar un material magnético hasta darle la
consistencia de polvo fino, en el que cada partícula constituyera un dominio.
Al imprimir el polvo para darle cualquier forma o tamaño apropiado y moldearlo
con plástico o hule, se le somete a la influencia de un campo magnético fuerte
que orienta a casi todos los dominios en una sola dirección, con lo cual se forma un
excelente imán que puede usarse en bandas magnéticas flexibles de múltiples
usos, como las utilizadas para mantener cerradas las puertas de los
refrigeradores.
Actualmente se investigan nuevos y
potentes imanes a fin de utilizarse en el funcionamiento de carros de
ferrocarril y de transporte colectivo.
En Japón se construyen trenes que utilizan la propulsión y levitación magnética, esta última se produce por repulsión, la cual mantiene a los carros arriba de los rieles, pero sin tocarlos (figura 13.15). La ventaja de este sistema magnético consiste en reducir considerablemente la fricción, el desgaste de las piezas metálicas y la contaminación por ruido.
Reluctancia.
La reluctancia es la resistencia magnética que, en un
circuito magnético atravesado por un flujo magnético la inducción (o densidad
de flujo magnético), es igual al cociente obtenido al dividir la magnitud de la
fuerza magnetomotriz entre la densidad de flujo magnético. La fuerza magnetomotriz es una fuerza
análoga a al fuerza electromotriz, pero engendrada en circuitos magnéticos. Por
tanto, podemos decir que el flujo en el circuito magnético es análogo a la
intensidad de corriente en un circuito eléctrico; de igual manera, la fuerza
magnetomotriz (fmm) lo es a la fuerza
electromotriz (fem) y la reluctancia
lo es a la resistencia eléctrica.
Materiales ferromagnéticos, para magnéticos
y diamagnéticos.
Al colocar un objeto dentro de un campo magnético
pueden presentarse las siguientes situaciones:
1.
Que
las líneas del flujo magnético fluyan con mucha mayor facilidad a través del
objeto que por el vacio. En este caso el material será ferromagnetico y debido a ello se
magnetizara con gran intensidad. Su permeabilidad magnética será muy
elevada y quedara comprendida desde algunos cientos a miles de veces la
permeabilidad del vacio. Ejemplos: el hierro, cobalto, níquel, gadolinio (Gd) y
disprosio (Dy), así como algunas de sus aleaciones.
2.
Que
las líneas del flujo magnético pasen relativamente con cierta facilidad por el
objeto que a través del vacio. En este caso, se trata de un material paramagnético,
el cual se magnetiza aunque no en forma muy intensa. Su permeabilidad magnética
es ligeramente mayor que la del vacio. Ejemplos: aluminio, litio, platino,
iridio y cloruro férrico.
3.
Que
las líneas del flujo magnético circulen más fácilmente en el vacio que por el
objeto. En este caso el material será diamagnético, pues no se magnetiza y puede
ser repelido débilmente por un campo magnético intenso. Su permeabilidad magnética
relativa es menor a la unidad. Ejemplos: el cobre, plata, oro, mercurio y
bismuto (figura
13.16).
Actividad experimental
Imanes
y campo magnético
●Objetivo
Identificar en forma experimental las
características de los imanes, observar la interacción en polos iguales y
diferentes, y conocer los aspectos magnéticos de los imanes que se representan
mediante líneas de fuerza.
●Consideraciones
teóricas
Hace dos mil años aproximadamente, unos pastores de magnesia (ciudad antigua de Turquía)
descubrieron una roca negra que atraía al hierro. Esta roca recibe el nombre de
piedra imán o magnetita. En la
actualidad se define al magnetismo como la propiedad que tienen los cuerpos
llamados imanes de atraer el hierro, a níquel y al cobalto. La importancia de
los imanes y del magnetismo es muy grande, pues se utilizan en muchos aparatos,
como: timbres, alarmas, teléfonos, conmutadores, motores eléctricos, brújulas
(figura 13.17) y separadores de cuerpos metálicos de hierro.
Se supone que en año 121 a.C. los chinos ya
usaban el imán como brújula. William Gilbert (1540-1603), investigador ingles,
demostró lo siguiente: la tierra se comporta como un imán enorme, y no existen los polos magnéticos separados.
Hace más de un siglo, el inglés Faraday
observo que un imán ejerce una fuerza sobre un trozo de hierro o sobre
cualquier imán cercano a él, debido a la presencia de un campo de fuerzas cuyos
efectos se hacen sentir a través de un espacio vacio. Faraday imagino que de un
imán salían hilos o líneas esparcidas llamadas líneas de fuerza magnética.
Dichas líneas se encuentran mas en los polos, pues ahí la intensidad es mayor.
Las líneas de fuerza producidas por un imán, ya sea de barra o de herradura, se
esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al polo sur. La zona que
rodea a un imán y en la cual su influencia puede detectarse recibe el nombre de
campo magnético.
●Material
empleado
Una aguja de coser larga, alambre de hierro
delgado de 12 cm de largo, hilo, unas pinzas de corte, dos imanes de barra, un imán
de herradura, cinco hojas de papel de cuaderno y limadura de hierro.
●Desarrollo de la actividad experimental
1.
Imante una aguja de coser larga, frotándola doce veces en un solo sentido con
un imán, desde el centro de la aguja hasta la punta.
2.
Ate una aguja un extremo de un hilo en su centro de gravedad y suspéndala de un
punto fijo sujetando el otro extremo del hilo. Déjela oscilar libremente hasta
que se detenga y adquiera su orientación. Considere como marco de referencia a
las coordenadas geográficas y determine los polos norte y sur de la aguja
imantada.
3.
Imante ahora un alambre delgado de unos 12 cm de largo como lo hizo con la
aguja. Suspéndalo también de un hilo por su centro de gravedad y determine el
polo norte o el polo sur del imán. Márquenlos para no confundirlos.
4. Una el polo norte de la
aguja con el polo norte del alambre y observe. Una ahora el polo norte de la
aguja con el polo sur del alambre y observe.
5.
Corte con las pinzas el alambre por la mitad y acerque cada extremo de los
alambres al polo norte de la aguja imantada. Observe que sucede.
.jpg)
7. Repita el paso anterior,
pero ahora observe el espectro magnético formado al acercar el norte de un imán
de barra con el polo norte de otro imán de barra. Después polo sur con polo sur
y, finalmente, polo norte con polo sur.
Cuestionario.
1. Explique cómo imantaría
un desarmador para atraer un tornillo de hierro.
2. ¿A qué se le llama polo
norte y polo sur de un imán?
3. ¿Qué sucedió al unir el
polo norte de la aguja con el polo norte del alambre, y al unir el polo norte
de la aguja con el polo sur del alambre?
4. Explique qué le sucedió
al alambre imantado cuando se partió a la mitad y diga qué le sucedería si se
cortara en 10 partes o más.
5. Dibuje en su cuaderno los
espectros magnéticos formados por: un imán de barra, un polo norte cerca de
otro polo norte de dos imanes de barra, el polo sur próximo al polo sur y el
polo norte cerca del polo sur.
6. Dibuje el espectro
magnético formado por el imán de herradura.
7. Defina con sus propias
palabras qué es un imán y qué es magnetismo.
8. Investigue qué es un imán
natural y qué es un imán artificial. Diga también cuándo se tiene un imán
temporal y cuándo un imán permanente.
9. Defina qué se entiende
por campo magnético y por las líneas de fuerza magnética.
Resumen.
1. Hace dos mil años,
aproximadamente, unos pastores de Magnesia (Ciudad antigua de Turquía)
descubrieron una roca negra que traía el hierro. Esta roca recibe el nombre de piedra imán o magnetita. Químicamente es
un mineral de óxido de hierro:
Los chinos en el año 121
a.C. ya usaban el imán como brújula.
2. Magnetismo es la propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes
de atraer al hierro, níquel y cobalto. Esta propiedad es de gran importancia,
pues se utiliza en muchos aparatos, tales como: timbres, alarmas, teléfonos,
conmutadores, motores eléctricos, brújulas y separadores de cuerpos metálicos.
3. Gilbert demostró que la
Tierra se comporta como un imán enorme, por ello al extremo de una brújula que
apunta al Norte geográfico se le denomina polo norte y el extremo que apunta al
Sur geográfico se le llama polo sur. También demostró que no existen los polos
magnéticos aislados, porque si un imán se rompe en varios pedazos cada pedazo
se transforma en un imán.
4. Existen dos tipos de
imanes: los permanentes y los temporales. En la industria, una barra
de metal se imanta al someterla a la acción de un campo magnético producido por
un solenoide (o bobina), en el que circula una corriente eléctrica. Si la barra
es de hierro dulce, se imanta, pero cesa al momento de interrumpir la
corriente, por esta razón recibe el nombre de imán temporal. Cuando la barra es
de acero templado adquiere una imantación, la cual persiste incluso después de
que la corriente eléctrica se interrumpe, por lo que se llama imán permanente.
5. Faraday imaginó que de un
imán salen hilos o líneas, las cuales se esparcen, y las nombró líneas de fuerza magnética. Dichas
líneas producidas por un imán, ya sea de barra o de herradura, se esparcen
desde el polo norte y se curvan para entrar al polo sur. La zona que rodea a un
imán y en la cual su influencia puede detectarse recibe el nombre de campo magnético.
6. Una sola línea de fuerza
equivale a la unidad del flujo magnético
.jpg)
en el Sistema CGS y recibe el
nombre de maxwell. Sin embargo, es una unidad muy pequeña de flujo magnético,
por lo que en el SI se emplea una unidad mucho mayor llamada weber y cuya
equivalencia es la siguiente:
7. La densidad del flujo magnético o inducción magnética (B) en una
región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza (o sea él
flujo magnético), que atraviesan perpendicularmente a la unidad de área.
Por tanto
lklbn.jpg)
y
La unidad de B en el SI es el tesla (T). La densidad
del flujo es un vector representativo de la intensidad, dirección y sentido del
campo magnético en un punto.
8. La permeabilidad magnética es el fenómeno que se presenta en
algunas materiales, como el hierro dulce, en los cuales las líneas de fuerza de
un campo magnético fluyen con más libertad en el material de hierro que por el
aire o el vacío. La permeabilidad magnética del vacío tiene un valor
en el SI de:
o bien,
.jpg)
Para fines prácticos, la permeabilidad del
aire se considera igual a la permeabilidad del vacío. La permeabilidad relativa
de una sustancia se calcula con la expresión:
9. La intensidad del campo magnético (H),
para un medio dado, es el cociente que resulta de la densidad de flujo
magnético (B) entre la permeabilidad
magnética del medio:
.jpg)
10. La Tierra actúa como un
enorme imán cuyos polos no coinciden con los polos geográficos. El ángulo de
desviación entre el norte geográfico y el norte que señala la brújula recibe el
nombre de ángulo de declinación. La inclinación magnética es el ángulo que
forma una aguja magnética con el plano horizontal.
11. Una de las teorías más
aceptadas para explicar el magnetismo es la de Guillermo Weber en la que
establece lo siguiente: los metales magnéticos como el hierro, cobalto y
níquel, están formados por innumerables imanes elementales muy pequeños
orientados al azar, pero bajo la influencia de un campo magnetico se orientan
en forma paralela al cambo que los magnetiza.
12. En la actualidad se
investigan nuevos y potentes imanes que se utiliza en el funcionamiento de
carros de ferrocarril y de transporte colectivo, los cuales emplean la
propulsión y levitación magnéticas.
13. La reluctancia es la resistencia magnética que, en un circuito
atravesado por un flujo magnético de inducción, es igual al cociente que
resulta de dividir la fuera electromotriz entre la densidad de flujo magnético.
La fuerza magnetomotriz es una fuerza análoga a la fuerza electromotriz, pero engendrada
en circuitos magnéticos.
14. Cuando se encuentran
dentro de un campo magnético, los materiales pueden clasificarse en función de
su comportamiento de la siguiente manera: a)
Ferromagnéticos, las líneas del flujo
magnético pasan con mucha mayor facilidad por el cuerpo que en el vacío, tal es
el caso del hierro, cobalto, níquel, galodinio y disprosio. b) Paramagnéticos,
las líneas de flujo magnético atraviesan con cierta relativa facilidad por
el cuerpo, que a través del vacío; ejemplo: aluminio, litio, platino, iridio y
cloruro férrico. c) Diamagnéticos, las líneas del flujo
magnético tienen mayor circulación en el vacío que por el cuerpo, como sucede
con el cobre, la plata, el oro, el mercurio y el bismuto.
Autoevaluación.
Escriba en su cuaderno las
respuestas a las siguientes preguntas. Si se le presentan dudas al responder
vuelva a leer la sección correspondiente del libro, la cual viene señalada al
final de cada pregunta para su fácil localización.
1. Explique brevemente cómo
se descubrió el magnetismo. (Introducción
de la unidad).
2. Describa cómo se
orientaban antiguamente los marineros durante sus viajes. (Introducción de la unidad).
3. Explique qué se entiende
por magnetismo. (Introducción de la
unidad).
4. ¿Por qué es importante el
estudio del magnetismo? (Introducción de
la unidad).
5. Mencione en qué se basó
Gilbert para designar a los extremos de un imán como polo norte y polo sur. (Sección 1).
6. Explique qué sucede
cuando un imán de barra se parte exactamente a la mitad y después cada mitad en
varias partes. (Sección 1).
7. Describa cómo interactúan
los imanes cuando se acercan entre sí polos iguales y polos distintos. (Sección 1).
8. Explique qué es un imán: a) natural, b) artificial, c)
temporal, d) permanente. (Sección 1).
9. Diga en qué consisten las
líneas de fuerza, propuestas por Faraday, para describir un campo magnético. (Sección 2).
10. Dibuje la configuración
del espectro magnético producido cuando: a)
se acercan dos imanes de barra por sus polos iguales y distintos; b) se tiene un solo imán en forma de
barra; c) se trata de un imán de
forma de herradura. (Sección 2).
11. Explique los siguientes
conceptos y sus unidades de medida en el SI:
a)
Flujo magnético.
b) Densidad de flujo magnético. (Sección 3).
12. Defina qué se entiende
por permeabilidad magnética del vacío y permeabilidad magnética relativa. (Sección 3).
13. Explique el concepto de
intensidad del campo magnético y dé su expresión matemática. (Sección 3).
14. Describa cómo demostró
Gilbert que la Tierra se comporta como un enorme imán. (Sección 4).
15. Mencione una teoría que
explique el origen del magnetismo terrestre. (Sección 4).
16. Defina qué se entiende
por: a) declinación magnética; b) inclinación magnética. (Sección 4).
17. Mencione en qué consiste
la teoría de Weber. (Sección 5).
18. Explique por qué un imán
permanente puede perder su magnetismo. (Sección
5).
19. ¿Qué estudios se
realizan a fin de producir nuevos imanes que tengan mayor potencia y para qué
se les utiliza? (Sección 5).
20. Defina qué se entiende
por reluctancia. (Sección 6).
21. Explique por qué se
clasifican los cuerpos en ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos. Dé
ejemplos de materiales que pertenezcan a cada clasificación. (Sección 7).
Coevaluación.
Instrucciones: Consolide su aprendizaje, para ello lea y conteste en una hoja
las siguientes preguntas. Luego, intercambie con un(a) compañero(a) sus
respuestas. Coméntenlas, póngase de acuerdo y den respuestas comunes.
Discútanlas con las demás parejas y enriquezcan sus conocimientos con las
aportaciones de todos.
1. ¿Cómo demostraría por
medio de un alambre de hierro, unas tijeras para cortar alambre y un imán que
no existen polos magnéticos separados?
2. ¿Por qué podemos decir
que hay semejanza entre la acción que se produce entre cargas eléctricas y la
acción que se produce entre polos magnéticos?
3. ¿Cuál es la diferencia
fundamental entre polos magnéticos y cargar eléctricas?
4. Roberto se divierte
observando cómo se atraen y rechazan entre sí los polos magnéticos de dos
imanes de barra. Accidentalmente se le cae un imán y choca contra el piso de
concreto, después observa que ya no se atraen ni rechazan con la misma
intensidad. ¿Qué le sucedió al imán al caer?
5. El llamado polo norte de
un imán siempre es atraído por el polo norte de la Tierra. ¿Cómo explica esto
si sabemos que polos del mismo nombre se rechazan?
Glosario.
●Campo magnético.
Zona que rodea a un imán y en el cual su influencia puede
detectarse.
●Declinación magnética.
Ángulo de desviación formado entre el norte geográfico
real y el norte que señala la brújula.
●Densidad del flujo magnético.
Representa el número de líneas de fuerza o flujo
magnético, que atraviesa perpendicularmente a la unidad de área.
●Inclinación magnética.
Ángulo que forma la aguja magnética con el plano
horizontal.
●Línea de fuerza magnética.
Concepto propuesto por Faraday, es imaginario, pero sirve
para dibujar campos magnéticos y cuantificar sus efectos.
●Magnetismo.
Propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de
atraer al hierro, al níquel y al cobalto.
●Magnetita.
Piedra imán que atrae al hierro; es un mineral de óxido
de hierro, cuya fórmula es:
●Material diamagnético.
Es aquel que no se magnetiza y puede ser repelido
débilmente por un campo magnético intenso.
●Material ferromagnético.
Es aquél en que las líneas de flujo magnético fluyen con
mucha mayor facilidad a través del cuerpo que por el vacío.
●Maxwell.
Representa una sola línea de fuerza y equivale a la
unidad de flujo magnético en el sistema CGS.
●Permeabilidad magnética.
Propiedad que presentan algunos materiales, como el
hierro dulce, en los cuales las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con
mayor facilidad a través del material de hierro que por el aire o el vacío.
●Weber.
Unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional que
equivale a:
La parte de la física encargada de estudiar al
conjunto de fenómenos que resultan de las acciones mutuas entre las corrientes eléctricas
y el magnetismo, recibe el nombre de electromagnetismo. Oersted fue el primero
en descubrir que una corriente eléctrica produce a su alrededor un campo
magnético de propiedades similares a las del campo creado por un imán. Por
tanto, si un conductor eléctrico es sometido a la acción de un campo magnético,
actuará sobre él una fuerza perpendicular al campo y a la corriente. Faraday
descubrió las corrientes eléctricas inducidas al realizar experimentos con una
bobina y un imán. Además, demostró que se producen cuando se mueve un conductor
en sentido transversal (perpendicular) a las líneas de flujo de un campo
magnético, este fenómeno recibe el nombre de inducción electromagnética.
Actualmente, casi toda la energía eléctrica consumida en nuestros hogares y en
la industria se obtiene gracias al fenómeno de la industria se obtiene gracias
al fenómeno de la inducción electromagnética, pues en él se fundan las dinamos
y los alternadores que transforman la energía mecánica en eléctrica. El efecto
magnético de la corriente eléctrica y la inducción electromagnética han revolucionado
la ciencia y han dado origen al electromagnetismo. La aplicación de sus
principios y leyes han permitido la electrificación del mundo y con ella, el
progreso y un mejor nivel de vida para la humanidad.
La primera planta generadora de energía eléctrica se contribuyo
en Estados Unidos en la ciudad de Nueva York, en 1882, bajo la dirección de
Tomas Alva Edison. Las antiguas solo se usaban localmente, pues producían
corriente continua o directa, cuya transmisión a grandes distancias no era
rentable, ya que gran parte de energía se perdía en forma de color en los
conductores.
En la actualidad, las plantas eléctricas productoras
de corriente alterna prácticamente satisfacen las necesidades de energía en
todo el mundo. Existen, entre otros, tres principales tipos: hidroeléctricas,
termoeléctricas y nucleoeléctricas. Estas funcionan con base en grandes
generadores de voltaje alterno, también denominados, por lo mismo, alternadores
que producen energías eléctrica, misma que se distribuye entre los consumidores
por medio de redes de trasmisión.
Los generadores o
alternadores, generalmente, son accionados por turbinas. Estas giran por la
energía que les proporciona al agua en movimiento, como es el caso de una
presa, o por energía del vapor a presión.
Desarrollo histórico
del electromagnetismo.
El electromagnetismo tuvo su origen en el invento de la pila eléctrica
realizado por el italiano Alessandro
Volta en 1800. Veinte años mas tarde se hizo por casualidad otros
importantes descubrimiento: mientras el físico danés Hans Christian Oersted impartía una clase de física a sus alumnos,
empujo en forma accidental una brújula que se encontraba bajo un alambre conectado
a una pila, el cual conducía una corriente eléctrica continua o directa; observó con
asombro cómo la aguja realizaba un giro de 90° para colocarse
perpendicularmente al alambre (figura 14.1b).
Con ella se demostraba que éste, además de conducir
electricidad, generaba a su alrededor una fuerza parecida a la de un imán, es
decir, generaba un campo magnético; así se descubrió el electromagnetismo. Poco
tiempo después, el científico francés André
Marie Ampere (1775-1836), descubrió que el campo magnético podía
intensificarse al enrollar el alambre conductor en forma de bobina. Este
hecho condujo a Joseph Henry,
profesor estadounidense, a realizar otro descubrimiento importante: se le
ocurrió recubrir con un material aislante a los alambres y los enrollo
alrededor de una barra de hierro en forma de U. Luego, los conecto a una
batería y observo que la corriente eléctrica magnetizaba al hierro y cuando la
corriente dejaba de circular entonces desaparecía el campo magnético de la
barra de hierro. Se había descubierto el electroimán (figura 14.2),
pieza
fundamental de los motores eléctricos.
En 1821 Michael
Faraday construyo el primer motor experimental. Para ello, suspendió un
alambre sujeto por un soporte, de tal manera que cada extremo quedase sumergido
en un depósito de mercurio con un imán en el centro (figura 14.3). Cuando se hace
pasar corriente, cada extremo del alambre se mueve en circuito alrededor del imán.
Después del motor de Faraday se construyeron varios
tipos de motores eléctricos que funcionaban con baterías y eran utilizados para
taladros,
tornos o prensas de impresión. Sin embargo, eran muy costosos y
requerían de baterías muy grandes. Fue hasta 40 años después, aproximadamente,
cuando el ingeniero belga Théophile
Gramme (1826-1901), construyó el primer generador eléctrico o dinamo capaz de
transformar la energía eléctrica.
En 1888 Nikola
Tesla invento el motor de inducción, el cual funciona con corriente
alterna y cuyos usos actualmente son muy amplios en diversos aparatos
eléctricos, como son: lavadoras, licuadoras, ventiladores, refrigeradores,
tornos, bombas, sierras, taladros y radiograbadoras, entre otros (figura 14.4).El físico ruso Heinrich Lenz (1804-1865), se especializo en la inducción eléctrica y estableció una ley que lleva su nombre, en la cual se afirma y estableció una ley que lleva su nombre, en la cual se afirma: una corriente inducida por fuerzas electromagnéticas siempre produce efectos que se oponen a las causas que lo producen.
En 1873 el científico inglés James Clerk Maxwell (1831-1879), manifestó la íntima conexión entre
los campos eléctricos y magnéticos, al señalar: un campo eléctrico variable origina
un campo magnético. Con su teoría comprobó que la electricidad y el
magnetismo existían juntos y, por tanto, no debían aislarse. Esto dio origen a
la teoría
electromagnética, en ella se afirma que la luz se propaga en ondas a través
del espacio y así como existían ondas luminosas era posible suponer la
existencia de otras ondas electromagnéticas viajando por el espacio.
Maxwell le dio una expresión matemática a las consideraciones que hizo Faraday
respecto a las líneas de fuerza magnética. Gracias a esto se logro una
aplicación práctica a las ideas de los campos magnético y eléctrico propuestas
por Faraday. Más tarde, el físico alemán Heinrich
Hertz (1857-1894) estudio las ecuaciones planteadas por Maxwell para la Teoría
Electromagnética y logro demostrar con la producción de ondas electromagnéticas
que éstas
se desplazan por el espacio sin necesidad de cables conductores y que su
naturaleza es semejante a las ondas luminosas. A finales del siglo XIX
los científicos reconocieron la existencia de las ondas electromagnéticas y las
llamaron ondas
hertzianas como un reconocimiento a este físico alemán.
Así concluimos que el efecto magnético de la corriente
y la inducción electromagnética han revolucionado a la ciencia, pues dieron
origen a un área muy importante de la física llamada electromagnetismo. Al aplicar
sus principios y leyes a escala industrial, se han logrado un gran avance
tecnológico: la electrificación del mundo.
Campo Magnético producido por una corriente.
El campo magnético producido puede analizarse para su
estudio como si se tratara del campo creado por un imán, de tal manera que sea
posible obtener su espectro y observar sus efectos.
Campo magnético
producido por un conducto recto.
Para estudiar como es el campo magnético producido por
un conductor recto en el cual circula una corriente eléctrica se produce de la
siguiente manera: se atraviesa el conductor rectilíneo con un cartón horizontal
rígido (figura
14.6). En el momento en que circula la corriente por el conductor, se
espolvorea al cartón con limaduras de hierro y se observa que esta forma
circunferencias concéntricas con el alambre. La regla de Ampere nos señala el
sentido de las líneas de fuerza, pero también podemos aplicar la regla de la
mano izquierda: como la dirección del campo magnético depende del sentido de la
corriente, se toma al conductor recto con la mano izquierda con el pulgar
extendido sobre el conductor, este debe señalar el sentido en el que circula la
corriente eléctrica (de negativo a positivo) y los cuatro dedos restantes
indicaran el sentido del campo magnético (figura 14.6).
Para determinar la inducción magnética o densidad de
flujo magnético (B) a una cierta
distancia d de un conductor recto por
el que circula una intensidad de corriente I, se aplica la siguiente expresión
matemática:
Nota: Cuando el medio que rodea al conductor es no magnético
o aire, la permeabilidad se considera como si se tratara del vacío, por tanto:
.jpg){kind=small}
De acuerdo con la ecuación anterior se deduce que la densidad del
flujo magnético es directamente proporcional a la intensidad de la corriente y
que la distancia perpendicular del conductor es inversamente proporcional a la
densidad del flujo.
Campo
magnético producido por una espira.
Una
espira se obtiene al doblar en forma circular un conductor recto. El espectro del campo magnético creado por esta, se
origina por líneas cerradas que rodean a la corriente y por una línea recta que
es el eje central del círculo seguido por la corriente. Al aplicar la regla de
la mano izquierda, en los diferentes puntos de la espira, obtendremos el
sentido del campo magnético (figura 14.7). La dirección de la inducción
magnética es siempre perpendicular al plano en el cual se encuentra la espira.
Para calcular el valor de la inducción magnética o
densidad de flujo (B) en el centro de una espira se usa la siguiente expresión
matemática:
SI en lugar de una espira se enrolla un alambre de tal
manera que tenga un número N de vueltas, se obtendrá una bobina o solenoide y
el valor de su inducción magnética en su centro será igual a:
.jpg)
Campo
magnético producido por un solenoide o bobina.
Un
solenoide (figura 14.8) se obtiene al enrollar un alambre en forma helicoidal
(acción llamada devanar). Cuando una corriente circular a través del
solenoide, las líneas de fuerza del
campo magnético generado se asemejan al campo producido por un imán en forma de
barra. En
su interior las líneas de fuerza son paralelas y el campo magnético en
uniforme. Para determinar cual es el polo norte de un solenoide se
aplica la regla de la mano izquierda: se coloca la mano izquierda en tal forma
que los cuatro dedos señalen el sentido en el que circula la corriente eléctrica
y el dedo
pulga extendido señalara el polo norte del solenoide.
Para calcular la inducción magnética o densidad de
flujo B en el interior de un
solenoide, se utiliza la expresión matemática:
.jpg)
Resolución de problemas de campo magnético.
1. Calcular la inducción magnética o densidad de flujo
en el aire, en un punto a 10 cm de un conductor recto por el que circula una
intensidad de corriente de 3 A.
2. Determinar
la inducción magnética en el centro de una espira cuyo radio es de 8 cm, si por
ella circula una corriente de 6 A. La espira se encuentra en el air
.jpg)
3. Una espira de 9 cm de radio se encuentra sumergida
en un medio cuya permeabilidad relativa es de 15. Calcular la inducción
magnética ene l centro de la espira si a través de ella circula una corriente
de 12 A.
.jpg)
4. Calcular el radio de una bobina que tiene 200
espiras de alambre en el aire por la cual circula una corriente de 5 A y se produce
una induccion magnetica en su centro de 8 X 10-3 T.
.jpg)
5. Un solenoide tiene una longitud de 15 cm y esta
devanado con 300 vueltas de alambre sobre un núcleo de hierro cuya
permeabilidad relativa es de 1.2 X 104. Calcular la inducción
magnética en el centro del solenoide cuando por el alambre circula una
corriente de 7 mA.
.jpg)
Fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento dentro
de campos magnéticos.
Todo
conductor por el cual circula una corriente eléctrica está rodeado de un campo
magnético. En virtud de que una
corriente eléctrica es un flujo de electrones, cada uno de ellos constituye una
partícula cargada en movimiento generadora de un campo magnético a su
alrededor. Por ello, cuando un electrón en movimiento con su propia campo magnético
penetra en forma perpendicular dentro de otro campo producido por un imán o una
corriente eléctrica, los dos campos magnéticos interactúan entre si. En
general, los campos magnéticos actúan sobre las partículas cargadas
desviándolas de sus trayectorias a consecuencia del efecto de una fuerza
magnética llamada fuerza de Ampere.
Cuando una partícula cargada se mueve
perpendicularmente a un campo magnético, recibe una fuerza magnética cuya
dirección es perpendicular a la dirección de su movimiento y ala dirección de
la inducción magnética o densidad de flujo; por tanto, la partícula se desvía y
sigue una
trayectoria circular (figura 14.9).
Cuando una carga se mueve
paralelamente a las líneas magnéticas del campo, no sufre ninguna desviación
(figura
14.10).
Si la trayectoria de la partícula es en forma oblicua (con una
cierta inclinación respecto a las líneas de fuerza de un campo magnético), la partícula
cargada se desviara y describirá una
trayectoria en forma de espiral (figura 14.11).
Una carga q
cuyo movimiento es perpendicular a un campo magnético con inducción magnética B
a una cierta velocidad v, recibe una fuerza F cuya magnitud se calcula con la
siguiente expresión:
.jpg)
Cuando la
trayectoria del movimiento de la particula forma un angulo 0 con la induccion magnetica B
(figura
14.11), la magnitud de la fuerza recibida por la particula sera
proporcional a la componente de la velocidad perpendicular a B. Por tanto, la magnitud de la fuerza F se determina con la expresion:.jpg)
Para
determinar la direccion de la fuerza magnetica recibida por una carga que se
mueve en forma perpendicular a las lineas de fuerza de un campo magnetico, se
empea la regla
de los tres dedos de la siguiente manera: los tres primeros dedos de la mano
derecha se disponen extendidos perpendicularmente uno respecto del otro (figura 14.12),
el dedo
indice indicara la direccion del campo magnetico, el medio representara la
direccion de la velocidad con la cual se presentara la direccion de la
velocidad con la cual se mueve una carga negativa, es decir, la corriente, y el
pulgar
señalara la direccion de la fuerza magnetica que recibe la carga. Cuando
la carga que se mueve perpendicularmente a un campo magnetico es positiva, se
emplea la mano izquierda de la misma manera.
.jpg)
Por definición: la inducción magnética o densidad de flujo en un
punto de un campo magnético o densidad de flujo en un punto de un campo magnético
equivale a una tesla, cuando una carga de un coulomb al penetrar
perpendicularmente al campo magnético con una velocidad cuya magnitud es igual
a un metro por segundo, recibe, en dicho punto, una magnitud de fuerza
magnética de un newton.
Fuerza
sobre un conductor por el que circula una corriente.
Como ya señalamos, un conductor por el que circula una
corriente está rodeado de un campo magnético. Si el conductor se introduce en
forma perpendicular a un campo magnético recibirá una fuerza lateral cuya
magnitud se determina con la expresión matemática:
.jpg)
La demostración de la ecuación
anterior la obtenemos a partir de la expresión usada para calcular la fuerza
que recibe una carga en movimiento al penetrar perpendicularmente a un campo magnético de la siguiente manera:
.jpg)
.jpg)
Fuerza
magnética entre dos conductores paralelos por los que circula una corriente.
En virtud de que una carga en movimiento genera a su
alrededor un campo magnético, cuando dos cargas eléctricas se mueven en forma
paralela interactúan sus respectivos campos y se produce una fuerza magnética
entre ellas. La fuerza magnética es de atracción si las cargas que se mueven
paralelamente son del mismo signo y se desplazan en igual sentido, o bien,
cuando las cargas son de signo y movimiento contrarios. Evidentemente, la fuerza
magnética será de repulsión si las cargas son de igual signo y con
diferente sentido; o si son de signo contrario y si dirección es n el mismo
sentido.
Cuando se tienen dos alambres rectos, largos y
paralelos y por ellos circula una corriente eléctrica (figura 14.14), debido a la interacción
de sus campos magnéticos se produce una fuerza entre ellos cuya magnitud puede
calcularse con la siguiente expresión:
La
fuerza entre los alambres conductores paralelos será de atracción si las
corrientes van en el mismo sentido pero si este es opuesto, la fuerza será de
repulsión. Recuérdese que para
fines prácticos cuando los alambres se encuentran en el aire se considera como
si estuvieran en el vacío (figura 14.15). .jpg)
.jpg)
Por tanto, la expresión para calcular la magnitud de
fuerza entre dos conductores paralelos que circula una corriente de reduce a:
.jpg)
Resolución de problemas de fuerzas sobre cargas en movimiento dentro de campos magnéticos
1. Un protón de carga 1.6 X 10-19C penetra
perpendicularmente en un campo magnético cuya inducciones de 0.3 T con una
velocidad cuya magnitud es de 5 X 105 m/s. ¿Qué magnitud de fuerza
recibe el protón?
.jpg)
2. Una carga de 6µC se mueve en forma perpendicular a un campo magnético con una velocidad cuya magnitud es de 4 X 104 m/s y recibe una fuerza cuya magnitud es de 3 X 10-3 N. ¿Cuál es el valor de la inducción magnética?
.jpg)
3. Una carga de 7µC se desplaza con una velocidad cuya
magnitud es de 6 X 105 m/s y forma un ángulo de 60° respecto a un
campo cuya inducción magnética es de 0.32 T. ¿Qué magnitud de fuerza recibe la
carga?
.jpg)
4. Por un alambre recto circula una corriente de 6
miliamperes. Si dicho alambre se introduce entre los polos de un imán de
herradura y que da sumergido 5cm en forma perpendicular al campo de 0.15 T de
inducción magnética, calcular la magnitud de la fuerza que recibe.
.jpg)
5. Calcular la corriente que circula por un alambre
recto que recibe una fuerza cuya magnitud es de 2 X 10-4N al ser introducido
perpendicularmente a un campo magnético de 0.5 T, si se sumergen 9 cm del
alambre.
.jpg)
6. Un alambre recto por el cual circula una corriente
de 1 A se introduce a un campo cuya inducción magnética es de 0.2 T y forma un
ángulo de longitud del alambre que queda sumergido en el campo si la fuerza
recibida tiene una magnitud de 8 X 10-3N.
.jpg)
7. Por un conductor recto circula una corriente de 2 A
y a través de otro, que esta paralelo a una distancia de 5 cm, circula una
corriente de 4 A. Calcular la magnitud de la fuerza recibida por cualquiera de
los conductores si su longitud es de 0.6m y se encuentran en el aire.
Al considerar que la corriente circula en diferente
sentido por los conductores, ¿La fuerza es de atracción o repulsión?
1. Una carga de 4µC penetra perpendicularmente en un
campo magnético de 0.4 T con una magnitud de velocidad de
. Calcular la
magnitud de la fuerza que recibe la carga.
2. Un electrón de carga
C se mueve con una velocidad cuya magnitud es de 8 x
y forma un ángulo de 30° respecto a un campo
de inducción magnética igual a 0.55 T. ¿Qué magnitud de fuerza recibe el
electrón?
3. Calcular la magnitud de la velocidad que lleva una
carga de 9µC al penetrar un campo magnético de 0.1 T con un ángulo de 50° por
lo que recibe una fuerza cuya magnitud es de 3 x
N.
4. ¿Qué magnitud de fuerza recibe un alambre recto por
el cual una corriente de 5 mA al ser introducido perpendicularmente a un campo
de 0.6 T, si quedan 8 cm de alambre dentro del campo?
5. 12 cm de alambre recto se introducen, de manera
perpendicular, en un campo de 0.25 T de inducción magnética. Determinar la
corriente que circula por ese alambre, si recibe una fuerza cuya magnitud es de
1.6 x
N.
6. ¿Cuál es la longitud sumergida en un campo
magnético de 0.28 T de un alambre recto por el que circula una corriente de 3
A, si al formar un ángulo de 37° con las líneas de flujo recibe una fuerza cuya
magnitud es de 6 x
N.
7. Dos conductores rectos se encuentran paralelos a
una distancia de 3 cm. Por uno circula una corriente de 5 A y por el otro una
de 6 A. Si la longitud considerada de los conductores es de 70 cm, calcular la
magnitud de fuerza que recibe cualquiera de los conductores al estar en el
aire; señale si es de atracción o de repulsión, pues el sentido de la corriente
en ambos conductores es el mismo.
8. Se tienen dos conductores paralelos que miden 1.5
m; cuál será la distancia entre ambos para que se atraigan con una fuerza cuya
magnitud es de 4 x
N, al transportar una corriente de 3 A cada uno.
Inducción electromagnética y ley del electromagnetismo.
En 1831, Michael
Faraday descubrió las corrientes eléctricas inducidas al realizar
experimentos con una bobina y un imán. En la figura 14.16 observamos un
imán y una bobina en la cual se conecta un galvanómetro que servirá para
detectar la presencia de corrientes eléctricas de poca intensidad.
Al permanecer inmóviles el imán y la bobina de la figura 14.16,
no se produce ninguna corriente inducida, pero al acercar el imán a la bobina
se origina inmediatamente una corriente que se detecta con el galvanómetro.
Igual ocurriría si el imán permanece fijo y se mueve la bobina; la finalidad es
producir una variación en el flujo
magnético que actúa sobre esta.
El sentido de la corriente esta en función de si se
acerca o se aleja el imán. La corriente inducida será mas intensa al avanzar más
rápido el imán, la bobina o ambos. Una forma práctica de obtener mayor
intensidad de corriente inducida se logra al girar la bobina a través del campo
magnético. El hecho de que se haya producido una corriente en el circuito
formado por la bobina, señala la inducción de una fuerza electromotriz en el circuito
al variar el flujo magnético debido al movimiento del imán.
De acuerdo con los experimentos realizados por Faraday
podemos decir que:
1. Las
corrientes inducidas son aquellas producidas cuando se mueve un conductor en
sentido transversal a las líneas de flujo de un campo magnético.
2. La
inducción electromagnética es el fenómeno que da origen a la producción de una
fuerza electromotriz (fem) y de una corriente
eléctrica inducida, como resultado de la variación del flujo magnético debido
al movimiento relatico entre un conductor y un campo magnético.
En la actualidad casi toda la energía eléctrica que se
consume en nuestros hogares y en la industria se obtiene gracias al fenómeno de la
inducción electromagnética. Por tanto el mundo existen generadores
movidos por agua, vapor, petróleo o energía atómica, en los cuales enormes
bobinas giran entre los polos de potentes imanes y generan grandes cantidades
de energía eléctrica (figura 14.17). Los fenómenos de inducción electromagnética tiene una
aplicación practica invariable, pues en ellos se fundan las dinamos y los
alternadores que transformadores, los circuitos radioeléctricos y otros
dispositivos de transmisión de energía eléctrica de un circuito a otro.
Ley de
Lenz
El físico ruso Heinrich
Lenz (1804-1865) nuncio una ley sobre inducción magnética que lleva su
nombre: siempre
que se induce una fem, la corriente
inducida tiene un sentido tal que tiene a oponerse a la causa que lo produce.
De acuerdo con la ley de Lenz, el sentido de la
corriente inducida es contrario al de la corriente requerida para provocar el
movimiento del campo magnético que ha creado. Para comprender mejor esta ley
observemos la figura 14.16: cuando el polo norte del imán se acerca ala
bobina, la corriente inducida representada por la letra i tiene el sentido
señalado por las flechas; de manera que, de acuerdo con la regla de la mono
izquierda, los polos norte de la bobina y del imán se encuentran juntos. Como
polos del mismo nombre se rechazan, el polo norte de la bobina presenta una
oposición al movimiento de aproximación del inductor, es decir, del imán. En b)
si el imán se aleja, cambia el sentido de la corriente i en la bobina, por
tanto, el extremo del polo norte ahora será el polo sur que atrae al polo norte
del imán y se opone a su alejamiento. En estas condiciones podríamos expresar
la ley de
Lenz en los siguientes términos: la corriente inducida en la bobina es tal que el
campo magnético producido por ella se opone al campo magnético del imán que la
genera.
Es evidente que el sentido de la fem y el de la corriente inducida es el mismo, pues apoya el
principio de la conservación de la energía. Veamos: la corriente inducida en el
circuito genera un campo magnético que de acuerdo con la ley de Lenz se opone a
la variación del flujo magnético, porque de no ser así el campo magnético de la
corriente inducida aumentaría la variación del flujo magnético y produciría una
corriente mayor. Ello implicaría un aumento desproporcional de la corriente con
la simple producción de una insignificante variación inicial de las líneas del
flujo magnético; de tal modo se obtendría energía eléctrica de manera
ilimitada, lo cual es imposible ya que va en contra de la ley de la
conservación de la energía.
Ley del
electromagnetismo o ley de inducción de Faraday
Con base en sus experimentos, Faraday enuncio la ley
del electromagnetismo: la fem inducida en un
circuito formado por un conductor o una bobina es directamente proporcional al
número de líneas de fuerza magnética cortadas en un segundo. En otras palabras; la fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la
rapidez con que cambia el flujo magnético que envuelve.
La ley anterior, en términos de la corriente inducida,
se expresa de la siguiente manera: la intensidad de la corriente inducida en un
circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético.
La ley de Faraday se expresa matemáticamente como:
.jpg)
.jpg)
El signo (-) de la ecuación se debe a
la oposición existente entre la fem inducida y la variación del flujo que la
produce (ley de Lenz).
Cuando se trata de una bobina que tiene N número
de vueltas o espiras, la expresión matemática para calcular la fem inducida será:
.jpg)
Al calcular la fem inducida en un conductor recto de longitud L que se desplaza con una magnitud de velocidad v en forma perpendicular a un campo de
inducción magnética B se utiliza la expresión:
.jpg)
Resolución
de problemas de la ley de Faraday.
1. Una bobina de 60 espiras emplea 4 x 10 ⁻² s en pasar entre
los polos de un imán en forma de U desde un lugar donde el flujo magnético es
de 2 x 10 ⁻⁴ Wb, a otro en el que este es igual a 5 x 10 ⁻⁴ Wb. ¿Cuál es la fem media inducida? 
2. Un conductor rectilíneo de 10cm de longitud se mueve perpendicularmente a un campo de inducción magnética igual a 0.4 T con una velocidad cuya magnitud es de 3 m/s. ¿Cuál es la fem inducida?
.jpg)
3. El flujo magnético que cruza una espira de
alambre varia de 2 x 10 ⁻³
a 4 x 10⁻²
webers en 3 x 10⁻² segundos. ¿Qué fem media se induce en el alambre?
.jpg)
4. Calcular el número de espiras que debe
tener una bobina para que al recibir una variación del flujo magnético de 8 x
10 ⁻⁴ Wb en 3 x 10 ⁻²
s se genere en ella una fem media inducida de 12 v.
.jpg)
Ejercicios
propuestos.
1*Calcular la fem media inducida en una
bobina de 200 espiras que tarda
2 x 10⁻² segundos en pasar entre los polos de un imán
en forma de U desde un lugar donde el flujo magnético es de 5 x 10⁻³ Wb a otro en el que este vale 8 x 10⁻³ Wb.
2*Calcular el tiempo necesario para efectuar
una variación de 6 x 10⁻⁴ Wb en el flujo magnético , al desplazarse
una bobina de 500 vueltas entre los polos de un imán en forma de herradura, el
cual genera una fem media inducida de 20 V.
3*Un conductor rectilíneo de 12 cm de
longitud se mueve en forma perpendicular a un campo de inducción magnética
igual a 0.27 T con una velocidad cuya magnitud es de 4 x 10³ m/s. Calcular la
fem media inducida.
4*Calcular la magnitud de la velocidad con
que se mueve un alambre de 15 cm perpendicularmente a un campo cuya inducción magnética
es de 0.35 T al producirse una fem media inducida de 0.5 V.
Inductancia
Existen fenómenos de inducción
electromagnética generados por un circuito sobre si mismo llamados de inductancia
propia o de autoinducción; y los producidos por la proximidad de
dos circuitos llamados de inductancia mutua. Un ejemplo de inductancia
propia lo tenemos cuando por una bobina circula una corriente alterna.
Como sabemos, al circular la corriente por la
bobina formara un campo magnético alrededor de ella, pero al variar el sentido
de la corriente también lo hará el campo magnético alrededor de la bobina, con
lo cual se produce una variación en las líneas de flujo magnético a través de
ella , esto producirá una fem inducida
en la bobina. La fem inducida con
sus respectivas corrientes inducidas son contrarias a la fem y la corriente
recibidas. A este fenómeno se llama autoinducción.
Por definición: La autoinducción es la producción de
una fem en un circuito por la
variación de la corriente en ese circuito. La fem inducida siempre se
opone al cambio de corriente. La capacidad de una bobina de producir una fem auto
inducida se mide con magnitud llamada inductancia. La bobina es conocida como auto
inductor o simplemente inductor. En muchos circuitos de corriente alterna se utilizan inductores o bobinas con
el objetivo de producir, en forma deliberada, inductancia en el circuito; tiene
un gran número de espiras su valor de inductancia es alto, y en caso contrario
su valor es pequeño. Cuanto mayor sea la inductancia, más lentamente se elevara
o descenderá la corriente dentro de la bobina (figura 14.8).
La unidad de inductancia es el Henry (H), llamada así en honor de Joseph Henry (1797 – 1878), maestro y
físico estadounidense pionero en el estudio del electromagnetismo.
.jpg)
El signo negativo indica que la fem autoinducida ɛ es una fuerza llamada
contraelectromotriz que se opone al cambio de la corriente.
La forma geométrica de la bobina afecta su
inductancia. Por ello, existen inductores de diversos tamaños y formas en los
que varia el numero de espiras y la longitud del conductor; algunos tienen núcleo
de hierro y otro no.
Para el caso de una bobina larga de sección transversal uniforme, la inductancia se calcula con la expresión:
Para el caso de una bobina larga de sección transversal uniforme, la inductancia se calcula con la expresión:
.jpg)
Inductancia mutua.
Cuando dos bobinas se colocan una cerca de la
otra, al pasar una corriente i por
una de ellas, creará un campo magnético cuyo flujo penetrará a través de la
otra, de tal manera que se pueda inducir una fem en cada una parte el efecto de la otra. La bobina en la que
circula la corriente en forma inicial recibe el nombre de bobina primaria,
y en la que se induce una fem, bobina
secundaria. El valor de la fem secundaria inducida es directamente
proporcional a la rapidez con que cambia la corriente en la bobina
primaria Δiᵨ / t. Matemáticamente se expresa: 
Resolución de problemas de inductancia.
1*Un alambre de cobre se enrolla en forma de
solenoide sobre un núcleo de hierro de 5 cm de diámetro y 25 cm de largo. Si la bobina tiene 220 vueltas y la
permeabilidad magnética del hierro es de 1.8 x 10⁻³
Wb / Am. Calcular la inductancia de la bobina.
.jpg)
2*Una bobina de 500 espiras tiene un núcleo
de 20 cm de largo y un área de sección transversal de 15 x 10⁻⁴ m². Calcular la inductancia de la bobina en
los siguientes casos:
a) Cuando la bobina tiene un núcleo de hierro con una permeabilidad relativa de 1 x 10⁴.
b) Si el núcleo de la bobina es el aire.
a) Cuando la bobina tiene un núcleo de hierro con una permeabilidad relativa de 1 x 10⁴.
b) Si el núcleo de la bobina es el aire.
.jpg)
Nota: La inductancia de la bobina es mucho mayor
con el núcleo de hierro que sin él, pues en este su inductancia fue de 23.5 H y
en el aire fue de 2.35mH.
3*Calcular la fuerza electromotriz inducida
en una bobina cuya inductancia es de 0.5 H, si la corriente varia 80 mA cada
segundo.
.jpg)
4*Una bobina de 25 cm de largo tiene 1500
espiras de alambre que rodean a un núcleo de hierro con un área de sección
transversal de 2 cm². Si la permeabilidad relativa del hierro es de 800, calcular:
a) ¿Cuál es la autoinducción o inductancia de la bobina?
b) ¿Qué fem media se induce en la bobina si la corriente en ella disminuye de 0.7 A a 0.2 A en 4 x 10⁻² segundos?
b) ¿Qué fem media se induce en la bobina si la corriente en ella disminuye de 0.7 A a 0.2 A en 4 x 10⁻² segundos?
.jpg)
5*Una bobina cuya corriente varia con una
rapidez de 2 A/s se encuentra cerca de otra a la cual le induce una fem de 12 milivolts. Calcular la
inducción mutua de las dos bobinas.
.jpg)
Ejercicios Propuestos.
1-Calcular la fem inducida en una bobina que
produce una inductancia de 8mH cuando la corriente varía 30 mA cada segundo.
2-Determinar la inductancia que se produce en
una bobina formada por un alambre de cobre enrollado sobre un núcleo de hierro
de 6 cm de diámetro y 30 cm de largo. El alambre tiene 400 espiras y la
permeabilidad magnética del hierro es de 8 x 10⁻⁴
Wb / Am.
3-Una bobina de mil espiras tiene un núcleo
de 30 cm de largo y un área de sección transversal de 2 x 10⁻⁴ m². Determinar la inductancia de la bobina
en los siguientes casos:
a) Cuando la bobina tiene un núcleo de hierro con una permeabilidad relativa de
1.2 x 10³.
b) Cuando el núcleo de la bobina es el aire.
4-Un alambre se enrolla en un núcleo de
hierro cuya permeabilidad relativa es de 2 x 10³, forma una bobina de 750
vueltas con un largo de 20 cm y un área de sección transversal de 3 cm².
Calcular:
a)¿Cuál es la
autoinducción o inductancia de la bobina?
b) ¿Cuál es la fem media que se induce en la bobina si la corriente varia 0.9 A
en 2.5 x 10⁻² segundos?
5-A través de una bobina hay una variación en la
corriente de 4 A / s y al encontrarse cerca de otra le induce una fem de 20
milivolts. ¿Cuál es la inducción mutua de las bobinas?
Corriente Alterna.
Al conectar un alambre a las terminales de
una pila se produce una corriente eléctrica. Los electrones que la originan van
en forma constante del polo negativo al positivo en una misma dirección, por
eso se le denomina corriente continua o directa.
La corriente que se usa en las casas, fábricas
y oficinas no se mueve en forma constante en la misma dirección, sino que
circula alternativamente, razón por la cual se le llama corriente alterna. El
movimiento de vaivén de los electrones cambia 120 veces por segundo por lo que su frecuencia
es de 60 ciclos / segundo.
En nuestros hogares e industrias se usa la
corriente alterna, pues es la más sencilla de producir mediante el empleo de
respectivos generadores de corriente alterna. También se prefiere porque su
voltaje puede aumentarse o disminuirse fácilmente por medio de un aparato
denominado transformador; lo que no ocurre con la continua (figura 14.9)..jpg)
Cuando la electricidad tiene que recorrer
grandes distancias se envía a voltajes muy altos, cercanos a cientos de miles
de volts. Ello posibilita la transferencia de una gran cantidad de electricidad
a baja intensidad, así se pierde muy poca energía por calentamiento del
conductor; al llegar la electricidad a una ciudad se reduce si voltaje de tal
manera que pueda ser utilizada en los aparatos domésticos y en las maquinas
industriales..jpg)
Las representaciones graficas de la corriente
continua y alterna se dan en las figuras 14.20, 14.21 y 14.22.
.jpg)
Una fem
alterna de 60 ciclos y 110 volts, significa que el campo eléctrico cambia de
sentido 120 veces en un segundo. Cuando el electrón cambia de sentido efectúa
una alternancia, dos alternancias consecutivas constituyen un ciclo completo.
El número de ciclos por segundo recibe el nombre de frecuencia. La frecuencia de
la corriente alterna es de 60 ciclos/s. El valor de 110 volts representa un voltaje
efectivo denominado fem media
cuadrática porque es la raíz cuadrada de
la media de los cuadrados de la fem, y no el
llamado pico o máximo de ésta cuyo valor es de 155 volts. En la figura 14.21
la curva representa la fem ɛ de
salida (V) en cualquier instante, misma que alcanza su valor máximo (ɛ máximo)
en la parte más alta de la curva m es decir, la amplitud. Igual sucede con la figura 14.22
para la intensidad de corriente.
Circuitos de corriente alterna.
.jpg)
Por lo general, todos los circuitos de
corriente alterna tienen resistencia (R),
inductancia
(L) y capacitancia (C). Cuando la capacitancia y la
inductancia totales del circuito son de un valor pequeño comparadas con la
resistencia, puede aplicarse la ley de Ohm para calcular la intensidad de la
corriente en cualquier parte del circuito: 
; pero cuando la capacitancia
y la inductancia no tienen un valor
pequeño producen diferencias de fase o retardos entre la corriente y el voltaje (figura 14.23), por ello, la ley de Ohm ya no podrá aplicarse en su forma original.
Al aplicar una corriente alterna a un circuito en
el que existe resistencia, pero no hay inductancia, el voltaje y la corriente a
través de la resistencia alcanzan sus valores máximos, y al mismo tiempo sus
valores cero. 
; pero cuando la capacitancia
y la inductancia no tienen un valor
pequeño producen diferencias de fase o retardos entre la corriente y el voltaje (figura 14.23), por ello, la ley de Ohm ya no podrá aplicarse en su forma original..jpg)
En este caso, el voltaje y la corriente están en fase, es decir,
no hay retraso entre ellas (figura 14.24), por este motivo; la ley de Ohm se
aplica de la misma manera que si se tratara de un circuito de corriente
directa.
.jpg)
.jpg)
.jpg)
En
un circuito eléctrico donde existen únicamente inductancia, la onda de
intensidad de corriente se atrasa ¼ de ciclo, es decir, 90°, por esta razón se
dice que se
encuentran desfasadas 90° (figura 14.25). Ello se debe al efecto
producido por la reactancia inductiva XL.
.jpg)
.jpg)
.jpg)
En la figura 14.26 se muestra un circuito de
corriente alterna que contiene una resistencia (o resistor), un inductor y un
capacitor conectados en serie. A éste se le denomina circuito RLC en serie, por los elementos que lo
constituyen y que están conectados en serie. Cuando se conectan en paralelo
recibe el nombre de circuito RLC en paralelo.
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
La potencia consumida en un circuito con
inductancia y capacitancia se mide mediante el empleo de un aparato llamado wattímetro.
Dicho aparato, al tomar en cuenta la fuerza electromotriz (fem), la corriente y
el factor de potencia, ofrece lecturas directas. Si se cuenta con un wattímetro, un
voltímetro y un amperímetro, podemos calcular el factor de potencia con
la siguiente expresión:
.jpg)
Resolución de problemas de circuitos de
corriente alterna.
.jpg)
.jpg)
Por tanto, el ángulo de fase es de 53° y como la
reactancia inductiva es mayor que la reactancia capacitiva , la corriente fluye
retrasada respecto al voltaje un ángulo de 53°
.jpg)
Transformadores.
El principio del transformador se basa en
la inducción mutua vista en la sección 5: Inductancia, de esta unidad. Para
comprender su funcionamiento observe la figura 14.28.
La corriente disminuye al aumentar el voltaje o viceversa, porque la potencia eléctrica de un transformador es la misma en la bobina primaria que en la secundaria, pues no genera energía y prácticamente tampoco produce perdidas de ella, asi:
.jpg)
Si la bobina secundaria tiene más espiras
que la primaria, su fem o voltaje es mayor y viceversa (figura 14.29). Donde la
relación entre el voltaje y el número de vueltas en cada bobina se dan con la
siguiente expresión:
.jpg)
.jpg)
.jpg)
b) La corriente en el secundario, si en el primario es de 20 A.
c) La potencia en el primario y en el secundario.
.jpg)
.jpg)
.jpg)
Ejercicios Propuestos.
Bobina de inducción o carrete de Ruhmkorff.
La bobina de inducción o carrete de Ruhmkorff
se utiliza ampliamente en los laboratorios escolares con el objetivo de generar
voltajes elevados. Para ello, se alimenta de la energía proporcionada por una
batería o de cualquier otra fuente que proporcione una corriente continua o
directa. Dicha bobina de inducción consta de una bobina o carrete primario
hecho con unas cuantas vueltas de alambre grueso, enrolladas en un núcleo de
hierro, así como una bobina de salida o carrete secundario con miles de vueltas
(fig.
14.30). Cuando se cierra el interruptor del circuito el núcleo de hierro
se imanta y pasa un gran número de líneas de flujo magnético tanto por la
bobina primaria como por la secundaria. El vibrador, similar al de una
campanilla de un timbre eléctrico, es atraído por el núcleo de hierro y abre el
circuito. Al abrir el circuito, el núcleo de hierro se desimanta y las líneas
magnéticas salen de la bobina secundaria y se induce en esta una fem elevada. La intensidad del campo
eléctrico obtenido en el espacio señalado por la letra A, hace producir una
descarga que se observa por la presencia de una chispa. Así, el vibrador abre y
cierra el circuito automáticamente, produciéndose chispas en las terminales de
salida A. El capacitor o condensador eléctrico sirve como un depósito al que
fluye la carga si el contacto del vibrador se abre. Con ello el capacitor
impide que salten chispas entre las terminales de salida y que el metal con el
cual están hechas se funda.
El generador eléctrico 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 alambres conductores cortan las líneas
de flujo magnético, por tanto, se induce en ellas una fem alterna. Para obtener una corriente continua o directa debe
incorporarse un dispositivo conveniente llamado conmutador. (fig. 14.31)
Un motor eléctrico es un aparato que
transforma la energía eléctrica en energía mecánica (fig. 14.32). Un motor de
corriente continua o directa está constituido por una bobina suspendida entre
los polos de un imán. Al circular una corriente eléctrica en la bobina, esta
adquiere un campo magnético y actúa como un imán, por tanto, es desplazada en
movimientos de rotación, debido a la fuerza que hay entre los dos campos magnéticos.
El motor de corriente alterna de inducción es el más empleado gracias a su bajo
costo de mantenimiento. En general, todo motor eléctrico consta de dos partes
principales: el electroimán, llamado inductor o estator pues suele ser fijo, y
el circuito eléctrico, que puede girar alrededor de un eje y recibe el nombre
de inducido o rotor.
Síntesis de Maxwell del electromagnetismo.
El desarrollo del electromagnetismo fue impulsado por muchos investigadores, de los cuales uno de los más importantes fue Michael Faraday (1791-1867), pero correspondió a James Clerk Maxwell, establecer las leyes del electromagnetismo en la forma en que las concedemos actualmente. Estas leyes, llamadas a menudo ecuaciones de Maxwell, desempeñan en el electromagnetismo, el mismo papel que las leyes de Newton del movimiento y de la gravitación desempeñan en la mecánica.
Maxwell fue uno de los grandes sintetizadores de la
física, ya que tomo los resultados experimentales de Faraday y de otros
investigadores y los organizo en una teoría matemáticamente coherente sobre los
campos eléctricos y magnéticos. Maxwell encontró que la idea de las ondas
electromagnéticas era una consecuencia lógica de su teoría, y publico su
resultado, aun cuando la naturaleza electromagnética de la luz no estaba
probada experimentalmente –si bien se sospechaba- y nadie había detectado la
existencia de otras ondas electromagnéticas. Lo mismo que Newton, Maxwell “se
paro sobre los hombros de gigantes”, y –también como Newton- vio más lejos que
aquellos.
Las ondas electromagnéticas tienen sus orígenes en las
cargas oscilantes, por ejemplo, en los
electrones que oscilan a altas frecuencias en una antena de radio. En la figura 14.34
se muestra una representación grafica de una onda electromagnética en el
espacio.
Las ecuaciones de Maxwell, que no se estudian en este texto debido a que requieren conocimientos matemáticas superiores, sintetizan las siguientes leyes:
Electromagnetismo.
●Objetivos.
●Consideraciones teóricas.
●Material empleado.
●Desarrollo de la actividad experimental.
1. Monte un circuito eléctrico básico como el
mostrado en la figura 14.35. Para ello, coloque la brújula en posición paralela
con el alambre conductor. Cierre el circuito mediante el interruptor y observe
que le sucede a la brújula. Abra el circuito y observe que le sucede a la
brújula.
2. Construya un pequeño electroimán,
enrollando el alambre aislado alrededor de un clavo grande de hierro (figura 14.36).
Conecte los extremos del alambre a la pila de 1.5 volts. Acerque cualquier
extremo del clavo a clips o alfileres. ¿Qué observa?
3. Monte un dispositivo como el mostrado en
la figura
14.37, tome en cuenta que la bobina debe estar fija. Introduzca varias
veces y con diferentes magnitudes de velocidades el polo norte del imán en el
centro de la bobina. Observe la aguja indicadora del micro amperímetro. Repita
la operación anterior, pero ahora con lo polo sur del imán de barra.
Cuestionario.
5. Si el conductor por el cual circula la
corriente es recto, se observa que a su alrededor se forma un campo magnético
en forma de círculos concéntricos con el alambre. La inducción magnética o
densidad de flujo magnético en un punto determinado, perpendicular a un
conductor recto, se encuentra con la expresión:
6. El espectro del campo magnético de una espira está formado de líneas cerradas que
rodean a la corriente y de una línea recta que es el eje central del circula
seguida por la corriente. Para calcular el valor de la inducción magnética en
el centro de la espira se usa la expresión:
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
La fuerza entre los alambres conductores
paralelos será de atracción si las corrientes van en igual sentido; si es
opuesto, se trata de repulsión.
14. Cuando se desea calcular la fem inducida en un conductor recto se usa la expresión:
.jpg)
.jpg)
16. La forma geometría de una bobina afecta su inductancia. Para una bobina larga de sección transversal uniforme la inductancia se calcula con la expresión:
.jpg)
17. La inductancia
mutua se presenta cuando dos bobinas se colocan una cerca de la otra; al
pasar una corriente i por una de
ellas, creara un campo magnético cuyo flujo penetrara a través de la otra
bobina. Si esta varia porque cambia la corriente, aparecerá una fem inducida en la segunda bobina, de
tal manera que se puede inducir una fem
en cada una por el efecto de la otra.
20. La acción de un inductor es tal que se opone
a cualquier cambio en la corriente. Como la corriente alterna cambia constantemente,
un inductor se opone de igual manera a ello, por tanto, reduce la corriente. La
capacidad de un inductor para reducir la corriente es directamente proporcional
a la inductancia y a la frecuencia de la corriente alterna.Por definición: la reactancia inductiva
Reactancia inductiva.
De acuerdo con la ley de Lenz, la acción de
un inductor es tal que se opone a cualquier cambio en la corriente, como la
corriente alterna cambia constantemente, un inductor se opone de igual manera a
ello, por lo que reduce la corriente en un circuito de corriente alterna.
A medida que aumenta el valor de la
inductancia, mayor es la reducción de la corriente. De igual manera, como las
corrientes de alta frecuencia cambian más rápido que las de baja, mientras
mayor sea la frecuencia, mayor será el efecto de reducción. Donde la capacidad de
un inductor para reducirla es directamente proporcional a la inductancia y a la
frecuencia de la corriente alterna. Este efecto de la inductancia
(reducir la corriente), se puede comparar en parte al que produce una
resistencia. Sin embargo, como una resistencia real produce energía calorífica
al circular una corriente eléctrica por ella, para diferenciarlas se denomina reactancia
inductiva al efecto provocado por la inductancia.
Por definición: La reactancia inductiva (XL) es la
capacidad que tiene un inductor para reducir la corriente en un circuito
alterna. Su expresión matemática es:
.jpg)
Cuando se tiene un circuito puramente inductivo se puede sustituir en la ley de Ohm, XL por R; así
.jpg)
.jpg)
En
un circuito eléctrico donde existen únicamente inductancia, la onda de
intensidad de corriente se atrasa ¼ de ciclo, es decir, 90°, por esta razón se
dice que se
encuentran desfasadas 90° (figura 14.25). Ello se debe al efecto
producido por la reactancia inductiva XL.
Reactancia capacitiva.
Al introducir un condensador eléctrico o
capacitor en un circuito de corriente alterna, las placas se cargan y la corriente
eléctrica disminuye a cero. Por tanto, el capacitor se comporta como una resistencia
aparente. Pero en virtud de que está conectado a una fem alterna se observa que a medida que
la frecuencia de la corriente aumenta, el efecto de resistencia del capacitor
disminuye.
Como un capacitor se diferencia de una
resistencia pura por su capacidad para almacenar cargas, al efecto que produce
de reducir la corriente se le da el nombre de reactancia capacitiva (Xϲ).
El valor de esta en un capacitor varía de manera inversamente proporcional a la
frecuencia de la corriente alterna. Su expresión matemática es:
.jpg)
.jpg)
.jpg)
Por definición: la reactancia capacitiva (Xϲ)
es la
propiedad que tiene un capacitor para reducir la corriente en un circuito de
corriente alterna. Como la corriente en un circuito capacitivo aumenta
según se incrementa la frecuencia de la corriente, se observa que la reactancia
inductiva (XL), pues la corriente en un circuito inductivo disminuye de acuerdo
con el aumento de la frecuencia.
A la diferencia entre XL – Xϲ se le da simplemente el
nombre de reactancia (X) y
se expresa como:
.jpg)
En términos generales, podemos decir que la
reactancia es una resistencia aparente que se debe sumar a la resistencia de un
circuito de corriente alterna para determinar su impedancia, es decir, su
resistencia total.
Circuito RLC en serie e
impedancia.
.jpg)
En la figura 14.26 se muestra un circuito de
corriente alterna que contiene una resistencia (o resistor), un inductor y un
capacitor conectados en serie. A éste se le denomina circuito RLC en serie, por los elementos que lo
constituyen y que están conectados en serie. Cuando se conectan en paralelo
recibe el nombre de circuito RLC en paralelo.
Cuando se desea conocer cuál es el valor de
la resistencia total en un circuito debido a la resistencia, al inductor y al
capacitor, se determina su impedancia. Por definición: en un circuito de
corriente alterna la impedancia (Z) es la oposición total a la corriente
eléctrica producida por R, XL, y Xϲ. Matemáticamente
Z se expresa como:
De
acuerdo con la ley de Ohm para una corriente continua tenemos que:
.jpg)
En
el caso de una corriente alterna (CA) R
se sustituye por Z:
.jpg)
.jpg)
En un circuito en serie las relaciones entre
R, XL, Xϲ y su valor resultante Z (es
decir, la impedancia), se pueden representar en forma grafica al considerar a
las magnitudes anteriores como vectores. En la figura 14.27 vemos lo
siguiente: la resistencia R se
representa por medio de un vector sobre el eje de las X la reactancia inductiva XL es un vector sobre el eje positivo de
las Y y la reactancia capacitiva Xϲ
es un vector negativo localizado sobre el mismo eje. El vector resultante de la
reactancia X= XL – Xϲ y la resistencia R
originada por los alambres del circuito y el devanado de la inductancia, está
representado por la impedancia Z.
Como ya señalamos, cuando la capacitancia y
la inductancia de un circuito de CA no tienen valores relativamente pequeños,
producen diferencias de fase o retardos entre la corriente y el voltaje. Cuando
la reactancia inductiva XL es mayor que la reactancia capacitiva Xϲ, la
corriente fluye con un desfasamiento respecto al voltaje recibido. En caso
contrario, cuando Xϲ es mayor que XL, la corriente fluye con un adelanto
respecto al voltaje.
Para determinar cuál es el valor del retraso
o adelanto de la corriente respecto al voltaje, se determina el ángulo de fase ϴ
(figura
14.27), el cual se calcula con la expresión:
.jpg)
En conclusión, la impedancia es, respecto a las
corrientes alternas, lo que la resistencia es a las corrientes continuas. En
otras palabras, es una resistencia aparente medida en ohms. Cuando se
acoplan dos circuitos de diferente impedancia se produce en la conexión una
resistencia que provoca una disminución en la corriente total, por eso, al
conectar una antena a un televisor ambos deben tener la misma impedancia, pues
en caso contrario se perderá una parte de la mínima corriente captada a través
de la antena.
Factor de potencia.
En el caso de un circuito de corriente
continua, la potencia se calcula con la expresión P = VI y se mide en watts. Sin
embargo, al tratarse de circuitos de corriente alterna, la potencia eléctrica
consumida es igual al producto del voltaje por la corriente instantáneos.
Pero como a veces ambos tienen un valor igual a cero, quiere decir que la
potencia esta variando en cada ciclo, por ello se debe calcular un promedio de
la potencia. Por definición: potencia media consumida en cualquier circuito de
corriente alterna es igual al voltaje medio cuadrático multiplicado por la corriente
eléctrica media cuadrática y por el coseno del ángulo de retraso entre ellas.
Matemáticamente se expresa:
Como observamos, la cantidad representada por
cos ϴ se
llama factor de potencia, ya que es el factor por el cual debe
multiplicarse VI para obtener la
potencia media consumida por el circuito. Recuerde que un voltaje medio
cuadrático representa el voltaje efectivo del circuito.
En los circuitos de corriente alterna se debe
evitar que el valor de potencia sea pequeño, pues esto significara que para un
voltaje V suministrado, se requerirá de una corriente para que se transmita una
energía eléctrica apreciable. También debe procurarse que las perdidas
por I²R en las líneas sean mínimas,
para ello, el valor del factor de potencia: cos ϴ deberá tender a la unidad y,
por consiguiente, ϴ se aproximará a cero, pues si ϴ = 0 el factor de potencia
cos ϴ = 1
Con el propósito de comprender mejor el
concepto de factor de potencia, recordemos que los componentes de los circuitos
de corriente alterna no aprovechan toda la energía eléctrica suministrada
debido al desfasamiento entre el voltaje y la intensidad. Por tanto, el factor
de potencia cos ϴ es la relación entre la potencia real que aprovecha o consume
el circuito y la potencia teórica o total suministrada por la fuente de
voltaje, por lo que este valor se considera igual al 100% donde:
.jpg)
El factor de potencia también se puede
calcular mediante la relación entre la resistencia R y la impedancia Z (figura 14.27):
.jpg)
La cual al multiplicarse por cien se expresa
en porcentaje:
.jpg)
Cuando en un circuito de CA solo existe un
resistor, el valor del factor de potencia es uno; mientras su valor es igual a
cero para inducir o un capacitor solo. Por tanto, no hay pérdidas de potencia
para estos.
.jpg)
1-Una fuente de voltaje de CA de 110 V se
conecta a través de un inductor puro de 0.5 henry.
Calcular:
a) ¿Cuál es la reactancia inductiva?
b) ¿Cuál es la corriente que circula a través del inductor, si la frecuencia de la fuente es de 60 hertz?
Calcular:
a) ¿Cuál es la reactancia inductiva?
b) ¿Cuál es la corriente que circula a través del inductor, si la frecuencia de la fuente es de 60 hertz?
.jpg)
2-Una fuente de voltaje de CA de 110 V se
conecta a través de un capacitor de 20 µF.
Calcular:
a) ¿Cuál es la reactancia capacitiva?
b) ¿Cuál es la corriente en el capacitor, si la frecuencia de la fuente es de 60 hertz?
Calcular:
a) ¿Cuál es la reactancia capacitiva?
b) ¿Cuál es la corriente en el capacitor, si la frecuencia de la fuente es de 60 hertz?
3-Un generador de CA que produce una fem
de 110V con una frecuencia de 60 hertz se conecta en serie a una resistencia de
80 Ω, a un inductor de 0.4 henry y a un condensador de 60 microfarads.
Calcular:
a) La reactancia inductiva
b) La reactancia capacitiva
c) La impedancia
d) La corriente eléctrica del circuito
e) El ángulo de fase, señale si la corriente fluye retrasada o adelantada respecto al voltaje
f) El factor de potencia
g) La potencia real consumida por el circuito
h) La potencia total o teórica que suministra la fuente.
a) La reactancia inductiva
b) La reactancia capacitiva
c) La impedancia
d) La corriente eléctrica del circuito
e) El ángulo de fase, señale si la corriente fluye retrasada o adelantada respecto al voltaje
f) El factor de potencia
g) La potencia real consumida por el circuito
h) La potencia total o teórica que suministra la fuente.
.jpg)
.jpg)
Ejercicios propuestos.
1-Un generador de CA produce un voltaje
de 110V con una frecuencia de 60 Hz, el cual se conecta a través de un inductor
puro de 0.3H. Calcular:
a) La reactancia inductiva
b)¿Cuál es la corriente que circula en el inductor?
2-Una fuente de voltaje de CA de 110 V
con una frecuencia de 60 hertz se conecta a un capacitor de 20 µF. Calcular:
a) La reactancia capacitiva
b) La corriente en el capacitor
3-En un circuito RLC en serie formado por
un generador de CA que produce una fem de 110 V con una frecuencia de 60 hertz,
una resistencia de 100Ω, un inductor de 0.5 H y un condensador de 70 µF. Calcular:
a) La reactancia inductiva
b) La reactancia capacitiva
c) La reactancia
d) La impedancia
e) La corriente eléctrica del circuito
4-En un circuito RLC en serie formado por
un generador de CA que produce una fem de 110 V con una frecuencia de 60 Hz,
una resistencia de 90Ω, un inductor de 0.2 H y un condensador de 50 µF. Calcular:
a) La reactancia inductiva
b) La reactancia capacitiva
c) La reactancia
d) La impedancia
e) La corriente eléctrica del circuito
f) El ángulo de fase, señale si la corriente fluye retrasada o adelantada
respecto al voltaje.
g) El factor de potencia.
h) La potencia real consumida por el circuito
i) La potencia total o teórica que suministra la fuente.
Transformadores.
El transformador
es otro invento realizado por Michael
Faraday, funciona por la inducción magnética. Como ya señalamos, la mayor
cantidad de energía eléctrica utilizada en nuestros hogares, fábricas y
oficinas es la producida por generadores de corriente alterna, pues su voltaje
puede aumentarse o disminuirse fácilmente mediante un transformador. Éste
eleva el voltaje de la corriente en las plantas generadoras de energía
eléctrica y después lo reduce en los centros de consumo. Dicha características
es la principal ventaja de la corriente alterna sobre la continua.
El principio del transformador se basa en
la inducción mutua vista en la sección 5: Inductancia, de esta unidad. Para
comprender su funcionamiento observe la figura 14.28.
En esta figura se muestran dos bobinas de
alambre, una A formada por cuatro espiras conectadas a una fuente de voltaje de
corriente alterna (CA) y otra B de ocho espiras con un foco integrado, sin
ninguna conexión a una fuente de alimentación de energía eléctrica. Cuando por
el foco se enciende, aunque no está conectado a ninguna fuente. Ello se debe a
que al circular corriente alterna por la bobina A , genera un campo magnético
cuya intensidad varia constantemente de valor debido al cambio de la corriente
en cada alternancia , pues va desde cero hasta alcanzar un valor máximo y
después disminuye para llegar otra vez a cero , con lo cual ocasiona un campo magnético
variable.
Recibe el nombre de bobina primaria
la que está conectada a la fuente de voltaje de CA, y de bobina
secundaria aquella donde la corriente es inducida.
Los transformadores se utilizan para
elevar o disminuir el voltaje en un circuito de CA. Si lo elevan se denominan de subida o de
elevación, si lo disminuyen se llaman de bajada o de reducción. En
el ejemplo de la figura 14.29 tenemos un transformador de elevación, toda vez que la
bobina B o secundaria tiene el doble de espiras que la A o primaria. Sin
embargo, como al transformar el voltaje no cambia su potencia ni su frecuencia,
el efecto que se presenta es la disminución a la mitad en la intensidad de la corriente de la bobina B.
La corriente disminuye al aumentar el voltaje o viceversa, porque la potencia eléctrica de un transformador es la misma en la bobina primaria que en la secundaria, pues no genera energía y prácticamente tampoco produce perdidas de ella, asi:
.jpg)
Si la bobina secundaria tiene más espiras
que la primaria, su fem o voltaje es mayor y viceversa (figura 14.29). Donde la
relación entre el voltaje y el número de vueltas en cada bobina se dan con la
siguiente expresión:.jpg)
Resolución de problemas de transformadores.
1- En un transformador de subida la
bobina primaria se alimenta con una corriente alterna de 110V. ¿Cuál es la
intensidad de la corriente en el primario, si en el secundario la corriente es
de 3 A con un voltaje de 800V?
.jpg)
2-Un transformador reductor es empleado
para disminuir un voltaje de 8 000 V a 220 V. calcular el número de vueltas en
el secundario, si en el primario se tienen 9 000 espiras.
.jpg)
3-Un transformador elevador tiene 300 espiras en
su bobina primaria y 4 000 en la secundaria.
Calcular:
a) El voltaje en el circuito secundario, si el primario se alimenta con una fem
de 110 V.b) La corriente en el secundario, si en el primario es de 20 A.
c) La potencia en el primario y en el secundario.
.jpg)
.jpg)
4. Un transformador cuya potencia es de 60 W
tiene 1 500 vueltas en el primario y 20 000 en el secundario. El primario
recibe una fem de 110 V. Determinar:
a) La intensidad de la corriente en el
primario.
b) La fem
inducida en el secundario.
c) La intensidad de la corriente en el
secundario.
.jpg)
Ejercicios Propuestos.
1. Un transformador reductor se utiliza para
disminuir un voltaje de 12 000 V a 220 V, calcular el número de espiras
existentes en el secundario si el primario tiene 20 000 vueltas.
2. En un transformador elevador la bobina
primaria se alimenta con una corriente alterna de 120 V e induce al secundario
un voltaje de 1 500 V con una corriente de 2 A. Calcular la corriente en el
primario.
3. Un transformador reductor se utiliza en
una línea de 2 000 V para entregar 110 V. Calcular el número de espiras en el
devanado primario, si el secundario tiene 50 vueltas.
4. Un transformador elevador tiene 200
vueltas en su bobina primaria y 5 000 en la secundaria, el circuito primario se
alimenta con una fem de 120 V y tiene
una corriente de 15 A.
Calcular:
a) El voltaje en el secundario.
b) La corriente en el secundario.
c) La potencia en el primario que será igual
a la del secundario.
5. Un transformador elevador cuya potencia es
de 80 W tiene 300 vueltas en el primario y 15 000 en el secundario. Si el
primario recibe una fem de 110 V.
Calcular:
a) La corriente en el primario.
b) La fem
inducida en el secundario.
c) La intensidad de la corriente en el
secundario.
Bobina de inducción o carrete de Ruhmkorff.
La bobina de inducción o carrete de Ruhmkorff
se utiliza ampliamente en los laboratorios escolares con el objetivo de generar
voltajes elevados. Para ello, se alimenta de la energía proporcionada por una
batería o de cualquier otra fuente que proporcione una corriente continua o
directa. Dicha bobina de inducción consta de una bobina o carrete primario
hecho con unas cuantas vueltas de alambre grueso, enrolladas en un núcleo de
hierro, así como una bobina de salida o carrete secundario con miles de vueltas
(fig.
14.30). Cuando se cierra el interruptor del circuito el núcleo de hierro
se imanta y pasa un gran número de líneas de flujo magnético tanto por la
bobina primaria como por la secundaria. El vibrador, similar al de una
campanilla de un timbre eléctrico, es atraído por el núcleo de hierro y abre el
circuito. Al abrir el circuito, el núcleo de hierro se desimanta y las líneas
magnéticas salen de la bobina secundaria y se induce en esta una fem elevada. La intensidad del campo
eléctrico obtenido en el espacio señalado por la letra A, hace producir una
descarga que se observa por la presencia de una chispa. Así, el vibrador abre y
cierra el circuito automáticamente, produciéndose chispas en las terminales de
salida A. El capacitor o condensador eléctrico sirve como un depósito al que
fluye la carga si el contacto del vibrador se abre. Con ello el capacitor
impide que salten chispas entre las terminales de salida y que el metal con el
cual están hechas se funda.
Generador
Eléctrico.
El generador eléctrico 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 alambres conductores cortan las líneas
de flujo magnético, por tanto, se induce en ellas una fem alterna. Para obtener una corriente continua o directa debe
incorporarse un dispositivo conveniente llamado conmutador. (fig. 14.31)
En la mayor parte de los generadores de la
corriente continua el inductor que produce el campo magnético es fijo y el
inducido móvil. En cambio, en los de corriente alterna permanece fijo el
inducido y el inductor gira. Sin embargo, en cualquier generador eléctrico el
origen de la fem inducida es por el
movimiento existente entre el campo magnético creado por el inductor y los
alambres conductores del inducido, lo cual provoca un flujo magnético variable.
Motor
Eléctrico.
Un motor eléctrico es un aparato que
transforma la energía eléctrica en energía mecánica (fig. 14.32). Un motor de
corriente continua o directa está constituido por una bobina suspendida entre
los polos de un imán. Al circular una corriente eléctrica en la bobina, esta
adquiere un campo magnético y actúa como un imán, por tanto, es desplazada en
movimientos de rotación, debido a la fuerza que hay entre los dos campos magnéticos.
El motor de corriente alterna de inducción es el más empleado gracias a su bajo
costo de mantenimiento. En general, todo motor eléctrico consta de dos partes
principales: el electroimán, llamado inductor o estator pues suele ser fijo, y
el circuito eléctrico, que puede girar alrededor de un eje y recibe el nombre
de inducido o rotor.Síntesis de Maxwell del electromagnetismo.
El desarrollo del electromagnetismo fue impulsado por muchos investigadores, de los cuales uno de los más importantes fue Michael Faraday (1791-1867), pero correspondió a James Clerk Maxwell, establecer las leyes del electromagnetismo en la forma en que las concedemos actualmente. Estas leyes, llamadas a menudo ecuaciones de Maxwell, desempeñan en el electromagnetismo, el mismo papel que las leyes de Newton del movimiento y de la gravitación desempeñan en la mecánica.
Aun cuando la síntesis de Maxwell del
electromagnetismo descansa fundamentalmente en el trabajo de sus
predecesores, su contribución personal es central y vital.
Maxwell dedujo que la luz es de naturaleza electromagnética y que la magnitud de su
velocidad puede calcularse a partir de experimentos puramente eléctricos y magnéticos.
Así, la ciencia de la óptica se ligo íntimamente con las de la electricidad y
el magnetismo. Es notable el alcance de las ecuaciones de Maxwell, ya que
incluye los principio fundamentales de todos los dispositivos electromagnéticos
y ópticos de grandes aplicaciones tales como motores, ciclotrones, calculadoras
electrónica, radio, televisión, radar de microonda, microscopios, telescopios,
etcétera (fig.
14.33)
Maxwell fue uno de los grandes sintetizadores de la
física, ya que tomo los resultados experimentales de Faraday y de otros
investigadores y los organizo en una teoría matemáticamente coherente sobre los
campos eléctricos y magnéticos. Maxwell encontró que la idea de las ondas
electromagnéticas era una consecuencia lógica de su teoría, y publico su
resultado, aun cuando la naturaleza electromagnética de la luz no estaba
probada experimentalmente –si bien se sospechaba- y nadie había detectado la
existencia de otras ondas electromagnéticas. Lo mismo que Newton, Maxwell “se
paro sobre los hombros de gigantes”, y –también como Newton- vio más lejos que
aquellos.
Los investigadores se pusieron a buscar la
manera de producir y detectar las ondas electromagnéticas predichas por
Maxwell. En 1888, Heinrich Hertz, un
físico alemán, ideo el primer transmisor y detecto sus señales a distancia de
unos cuantos metros. Encontró que las ondas eran transversales y que sus
longitudes eran de unos pocos metros. Había sido salvada la brecha que hasta
entonces existía entre campos separados de la física: electricidad, magnetismo y luz.
Existe una gran simetría en los procesos de la
electricidad y del magnetismo: los campos magnéticos cambiantes van acompañados por campos
eléctricos, y los campos eléctricos cambiantes van acompañados por campos
magnéticos. Maxwell quedo sorprendido por esta simetría en la estructura
lógica que había creado y se pregunto si los dos procesos podrían combinarse
para dar uno que se mantuviera por sí solo. Si el campo magnético estuviera
cambiando de una manera no uniforme
–sinusoidalmente, por ejemplo- el campo eléctrico inducido no sería constante,
sino que también cambiaria con el tiempo en forma semejante. Este campo
eléctrico cambiante que induciría un campo eléctrico cambiante, y así
sucesivamente. Los cálculos subsecuentes de Maxwell lo condujeron a las ondas
electromagnéticas.
Las ondas electromagnéticas tienen sus orígenes en las
cargas oscilantes, por ejemplo, en los
electrones que oscilan a altas frecuencias en una antena de radio. En la figura 14.34
se muestra una representación grafica de una onda electromagnética en el
espacio.
Recordemos que estamos hablando de campos
eléctricos y de campos magnéticos; la onda electromagnética es un cambio tipo
ondulatorio de las intensidades de campo acompañado de una propagación de
energía en dirección de la onda.
No son ondas en el sentido de que se muevan
partículas materiales, como las moléculas de agua se mueven pasa una onda por
la superficie de un estanque.
La figura 14.34 muestra las magnitudes y
direcciones de la intensidad del campo eléctrico (E) y la inducción magnética (B)
en un instante cualquiera. Sin embargo, debemos imaginar que toda la figura está
avanzando hacia la derecha. Un observador que estuviera en reposo respecto a la
onda y que dispusiera de instrumentos que pudieran responder a esos campos
eléctrico y magnético que cambian rápidamente, observaría, conforme pasara la
onda, que la intensidad del campo eléctrico en el sitio en que se encuentra, iría
primero dirigida hacia arriba y después hacia abajo, variando su magnitud
sinusoidalmente. En forma perpendicular al campo eléctrico, detectaría un campo
magnético cuya inducción magnética estaría dirigida primero saliendo y después
entrando, en variación sinusoidal. Las variaciones del campo eléctrico y las
del campo magnético están en fase entre sí; se sostienen una a la otra debido a
que los campos magnéticos de variación sinusoidal producen campos eléctricos de
variación sinusoidal y viceversa. El campo eléctrico siempre es perpendicular al
campo magnético, y ambos campos son perpendiculares a la dirección de propagación.
La onda es transversal.
Los campos que constituyen una onda
electromagnética tienen las propiedades de cualesquier otros campos eléctricos
y magnéticos que cambian con el tiempo. Cuando una onda electromagnética llega
a un conductor, la componente de campo eléctrico produce corrientes de
conducción alternas. Cuando una onda electromagnética pasa por una antena, se
cortan las líneas magnéticas de la componente del campo magnético y se induce
en la antena una corriente alterna de la frecuencia de la onda. Hemos visto que
la energía se puede almacenar en campos eléctricos y en campos magnéticos. En
forma semejante, la energía es transportada por ondas electromagnéticas.
Las ecuaciones de Maxwell, que no se estudian en este texto debido a que requieren conocimientos matemáticas superiores, sintetizan las siguientes leyes:
Actividad
experimental.
Electromagnetismo.
●Objetivos.
Observar experimentalmente algunos fenómenos
que resultan de las acciones mutuas entre las corrientes eléctricas y el magnetismo.
●Consideraciones teóricas.
El electromagnetismo
es la parte de la Física encargada de estudiar al conjunto de fenómenos que
resultan de las acciones mutuas entre las corrientes eléctricas y el
magnetismo. En 1820 Oersted descubrió
que cuando circula corriente eléctrica por un alambre conductor se forma
inmediatamente un campo magnético alrededor de el. Poco tiempo después Ampere descubrió que el campo magnético
podía intensificarse al enrollar el alambre conductor en forma de bobina. En
1831 Faraday descubrió las corrientes eléctricas inducidas al
realizar experimentos con una bobina a la que se le acercaba y alejaba un imán
recto. La corriente inducida era más intensa ha medido que se movía más rápido
el imán. De acuerdo con los experimentos de Faraday sabemos lo siguiente: la
inducción electromagnética es el fenómeno producido cuando un conductor se
mueve en sentido transversal cortando las líneas de fuerza de un campo magnético,
con ello se genera una fuerza electromotriz que induce una corriente eléctrica
en el conductor. En la actualidad casi toda la energía consumida en nuestros
hogares y en la industria se obtiene gracias al fenómeno de la inducción electromagnética. En todo el
mundo existen generadores movidos por agua, vapor, petróleo o energía atómica,
en los cuales enormes bobinas giran entre los polos de potentes imanes y
generan grandes cantidades de energía eléctrica.
●Material empleado.
Una brújula, un interruptor, un alambre
conductor aislado, un clavo grande de hierro, una pila de 1.5 volts, unos clips
o alfileres, una bobina, un imán de barra y un micro amperímetro.
●Desarrollo de la actividad experimental.
1. Monte un circuito eléctrico básico como el
mostrado en la figura 14.35. Para ello, coloque la brújula en posición paralela
con el alambre conductor. Cierre el circuito mediante el interruptor y observe
que le sucede a la brújula. Abra el circuito y observe que le sucede a la
brújula.
2. Construya un pequeño electroimán,
enrollando el alambre aislado alrededor de un clavo grande de hierro (figura 14.36).
Conecte los extremos del alambre a la pila de 1.5 volts. Acerque cualquier
extremo del clavo a clips o alfileres. ¿Qué observa?
3. Monte un dispositivo como el mostrado en
la figura
14.37, tome en cuenta que la bobina debe estar fija. Introduzca varias
veces y con diferentes magnitudes de velocidades el polo norte del imán en el
centro de la bobina. Observe la aguja indicadora del micro amperímetro. Repita
la operación anterior, pero ahora con lo polo sur del imán de barra.Cuestionario.
1. ¿Que observo en la brújula al cerrar el
circuito eléctrico y al abrirlo? Explique cuál fue la razón del comportamiento
de la brújula.
2. ¿Qué sucedió al acercar cualquiera de los
extremos del clavo a clips o alfileres?
3. ¿Qué uso práctico tienen los
electroimanes? Señale un mínimo de dos usos.
4. ¿Qué se observa en la aguja indicadora del
micro amperímetro al introducir el imán y al sacarlo? Descríbalo.
5. ¿Qué se observa en la aguja indicadora del
micro amperímetro al incrementar la magnitud de la velocidad con que se mueve
el imán? Explique cuál es la razón de dicho comportamiento.
6. ¿Que se observa en la aguja indicadora del
micro amperímetro al introducir el polo sur del imán de barra en la bobina?
Descríbalo.
7. ¿Qué se suceda cuando el imán y la bobina
permanecen inmóviles?
8. Defina con sus propias palabras que son
las corrientes inducidas.
9. Defina con sus propias palabras el fenómeno
de la inducción electromagnética.
10. Enuncie la ley del electromagnetismo
propuesta por Faraday.
Resumen.
1. El electromagnetismo
es la parte de la Física encargada de estudiar el conjunto de fenómenos que
resultan de las acciones mutuas entre las corrientes eléctricas y el
magnetismo. Su desarrollo histórico tuvo su origen con el invento de la pila
eléctrica hecho por Volta; mas adelante Oersted descubrió que cuando circula
una corriente eléctrica por un alambre se forma un campo magnético alrededor de
él. Había descubierta el electromagnetismo. Poco tiempo después, Ampere
intensifico el campo magnético al enrollar un alambre conductor en forma de
bobina. Este hecho condujo a Henry a construir el electroimán, pieza
fundamental de los motores eléctricos. En 1821 Faraday construyo el primer
motor experimental. Théophile Gramme fabricó
el primer generador eléctrico o dinamo capaz de transformar la energía mecánica
en energía eléctrica.
2. En 1888 Tesla invento el motor de inducción, el cual funciona con
corriente alterna y cuyos usos actualmente son bastante amplios en diversos
aparatos eléctricos, como son: lavadoras, licuadoras, ventiladores,
refrigeradores, tornos, etcétera. Lenz descubrió que una corriente inducida por
fuerzas electromagnéticas siempre produce efectos que se oponen a las causas
que lo producen. En 1873 Maxwell propuso la teoría electromagnética y gracias a
sus ecuaciones se logro dar una aplicación práctica a las ideas que sobra los
campos magnético y eléctrico hizo Faraday.
3. Hertz demostró que las ondas electromagnéticas se desplazan en
el espacio sin necesidad de cables conductores y que su naturaleza es la misma
que la da la luz. Hoy estas ondas reciben el nombre de hertzianas. El efecto
magnético de la corriente y la inducción electromagnética han revolucionado la
ciencia y dieron origen a un área muy importante de la Física llamada
electromagnetismo. La aplicación de sus principios y leyes ha posibilitado la
electrificación del mundo.
4. El campo
magnético producido por una corriente eléctrica puede analizarse para su estudio como si se tratara del campo de un
imán, de tal manera que sea posible obtener su espectro y sus efectos.
.jpg)
Si se trata de una bobina:
.jpg)
7. El campo
magnético producido por un solenoide
(bobina), se asemeja al de un imán en forma de barra. La inducción magnética en
el interior de un solenoide se calcula con la expresión:
.jpg)
8. Cuando un electrón en movimiento con su
propio campo magnético penetra en forma perpendicular dentro de otro campo,
estos dos interactúan entre sí. En general, los campos magnéticos actúan sobre
las partículas cargadas, desviándolas de sus trayectorias por el efecto de una fuerza
magnética llamada de Ampere. Cabe
señalar que si una partícula cargada se mueve paralelamente a las líneas de un
campo magnético, esta no sufre ninguna desviación. Cuando una carga penetra a
un campo en forma perpendicular o con un cierto ángulo respecto a las líneas de
fuerza magnética, la fuerza de Ampere que recibe se calcula con la expresión:
.jpg)
La dirección de la fuerza magnética que
recibe la carga se determina con la regla de los tres dedos.
9. Cuando un conductor por el cual circula
una corriente se introduce perpendicularmente o con un cierto ángulo en un
campo magnético, recibe una fuerza lateral cuya magnitud se determina con la
expresión:
.jpg)
10. Cuando se tiene dos alambres rectos,
largos y paralelos por los que circula una corriente eléctrica, debido a la interacción
de sus campos magnéticos se produce una fuerza entre ellos, la magnitud de esta
puede calcularse con la expresión:
.jpg)
11. En 1831 Faraday descubrió las corrientes
inducidas al realizar experimentos con una bobina y un imán, y obtuvo las
siguientes conclusiones: a) Las corrientes inducidas se producen al
moverse un conductor en sentido transversal a las líneas de flujo de un campo magnético.
b) La inducción electromagnética da origen a la producción de una fuerza
electromotriz (fem) y a una corriente
eléctrica inducida, como resultado de la variación del flujo magnético debido
al movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético. Actualmente, la
mayoría de la energía eléctrica consumida en nuestros hogares y en la industria
se obtiene gracias al fenómeno de la inducción electromagnética.
12. Lenz
enuncio una ley que lleva su nombre: siempre que se induce una fem, la corriente inducida tiene un
sentido tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce.
13. Con base en sus experimentos, Faraday enuncio la ley del electromagnetismo: la fem
inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que
cambia el flujo magnético que encierra. Matemáticamente se expresa como:
o bien:
Si se trata de una bobina:.jpg)
.jpg)
14. Cuando se desea calcular la fem inducida en un conductor recto se usa la expresión:
.jpg)
15. Existen fenómenos de inducción electromagnética producidos por un circuito sobre si
mismo llamados de inducción propia o
de autoinducción, y los producidos
por la proximidad de dos circuitos denominados de inductancia mutua. Por
definición: la autoinducción es la
producción de una fem en un circuito
por la variación de la corriente en el. La capacidad de una bobina de producir
una fem auto inducido se mide
mediante la magnitud llamada inductancia. La bobina es conocida como auto
inductor o simplemente inductor. La unidad de inductancia es el Henry (H). Un inductor equivale a un
henry si la rapidez de cambia de la corriente es de un ampere por segundo, e
induce una fem de un volt.
Matemáticamente se expresa:
.jpg)
16. La forma geometría de una bobina afecta su inductancia. Para una bobina larga de sección transversal uniforme la inductancia se calcula con la expresión:
.jpg)
18. La corriente que se usa en las casas, fábricas
y oficinas no se mueve en forma constante en la misma dirección, sino que
circula alternativamente, razón por la cual se le llama corriente alterna. Su frecuencia es de 60 ciclos/segundo. Utilizar
la corriente alterna en lugar de la continua presenta varias ventajas como son:
facilidad de producirla mediante el empleo de los generadores, también se prefiere
porque su voltaje puede aumentarse o disminuirse sin dificultad por medio de un
aparato denominado transformador.
19. En general todos los circuitos de
corriente alterna tienen resistencia R,
inductancia L y capacitancia C. La ley de Ohm se puede aplicar para
calcular la intensidad de la corriente en un circuito de corriente alterna,
siempre y cuando la capacitancia e inductancia de este tengan un valor pequeño
comparado con la resistencia. Pero si sus valores no lo son, producen
diferencias de fase o retardos entre la corriente y el voltaje, y la ley de Ohm
no podrá aplicarse en su forma original.
.jpg)
es la capacidad del inductor para
reducir la corriente en un circuito de corriente alterna. Matemáticamente se
expresa por:
.jpg)
Cuando se tiene un circuito
puramente inductivo se puede sustituir en la ley de Ohm XL por R; donde:
.jpg)
21. Al introducir un condensador eléctrico o
capacitor en un circuito de corriente alterna, las placas se cargan y la
corriente disminuye a cera. Por tanto, el capacitor se comporta como una
resistencia aparente. Pero en virtud de que está conectado a una fem alterna se observa que a medida que
aumenta la frecuencia de la corriente el efecto de resistencia del capacitor disminuye.
Por definición: la reactancia capacitiva Xc es la
propiedad que tiene un capacitor para reducir la corriente en un circuito de
corriente alterna. Matemáticamente se expresa:
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
pero en un circuito de CA la potencia media
consumida es igual al voltaje medio cuadrático multiplicado por la corriente
eléctrica media cuadrática y por el coseno del ángulo de retraso entre ellas. Matemáticamente
se expresa como: P= VIcosϴ. A la cantidad representada por cosϴ se le da el nombre de factor de potencia, pues este debe multiplicarse por VI para obtener la potencia media que
consume el circuito. El factor de potencia cosϴ también se puede definir como la relación
entre la potencia real que aprovecha o consume el circuito y la potencia teórica
o total que suministra la fuente de voltaje. Donde:
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
Autoevaluación.
.jpg)
.jpg)
22. La reactancia capacitiva Xc actúa
en forma inversa a la reactancia inductiva XL. A la diferencia entre Xc y XL se le da el nombre
de reactancia y se expresa como:
.jpg)
La reactancia es una resistencia de un
circuito de corriente alterna para determinar su impedancia, es decir, su
resistencia total.
23. Cuando se conectan una resistencia, un
inductor y un capacitor en serie se le denomina circuito RLC en serie. Si se
desea conocer cuál es el calor de la resistencia total en un circuito debido a
la resistencia, al inductor y al capacitor, se determina su impedancia. Por
definición: en un circuito de corriente alterna, la impedancia Z es la oposición total a la corriente producida por R, Xc y XL. Matemáticamente Z se expresa como:
.jpg)
En el caso de una corriente alterna, R se sustituye por Z en la Ley de Ohm:
.jpg)
24. Cuando la reactancia inductiva XL es
mayor que la reactancia capacitiva Xc la corriente fluye
con un retraso o desfasamiento respecto al voltaje recibido. Si Xc es
mayor que XL, la corriente fluye con un adelanto respecto
al voltaje. Para determinar cuál es el valor del retraso o adelanto de la
corriente respecto al voltaje, se determina el ángulo de fase ϴ, mismo que se calcula con la expresión:
.jpg)
25. En el caso de un circuito de CC la
potencia se calcula con la expresión:
.jpg)
pero en un circuito de CA la potencia media
consumida es igual al voltaje medio cuadrático multiplicado por la corriente
eléctrica media cuadrática y por el coseno del ángulo de retraso entre ellas. Matemáticamente
se expresa como: P= VIcosϴ. A la cantidad representada por cosϴ se le da el nombre de factor de potencia, pues este debe multiplicarse por VI para obtener la potencia media que
consume el circuito. El factor de potencia cosϴ también se puede definir como la relación
entre la potencia real que aprovecha o consume el circuito y la potencia teórica
o total que suministra la fuente de voltaje. Donde:.jpg)
26. El factor de potencia también se puede
calcular mediante la relación entre la resistencia R y la impedancia Z.
.jpg)
Al multiplicar por 100 se expresa en
porcentaje:
.jpg)
27. Cuando en un circuito de CA solo existe
un resistor o resistencia R, el valor
del factor de potencia es igual a la unidad; mientras que su valor es cero para
un inductor o un capacitor solo. Por tanto, no existe pérdida de potencia para
ambos. La potencia consumida en un circuito con inductancia y capacitancia se
mide mediante un aparato llama wattimetro. Mismo que al tomar en cuenta la fem, la corriente y el factor de
potencia, ofrece lecturas directas de la potencia.
28. El transformador es un aparato que
funciona por inducción mutua entre dos bobinas; eleva el voltaje de la
corriente en las plantas generadoras de energía eléctrica y después lo reduce
en los centros de consumo. Esta característica es la principal ventaja de la
corriente alterna sobre la continua. Los transformadores son llamados de subida
o elevación si aumentan el voltaje, pero si lo disminuyen se denominan de
bajada o de reducción. Recibe el nombre de bobina primaria, circuito primario o
simplemente primario aquel que está conectado a la fuente de voltaje de CA; y
bobina secundaria, circuito secundario o simplemente secundario, aquel donde la
corriente es inducida.
29. Un transformador eleva o reduce el
voltaje sin cambiar la potencia ni la frecuencia de la corriente. La corriente
disminuye al aumentar el voltaje y viceversa. Como la potencia en el primario
es igual a la del secundario, tenemos que:
La relación entre el voltaje y el número de
vuelta en cada bobina se determina con la siguiente expresión:
.jpg)
30. La bobina de inducción o carrete de
Ruhmkorff se utiliza en los laboratorios escolares para generar voltajes
elevados. Se alimenta de corriente directa.
31. El generador eléctrico es un aparato que
transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Está constituido por un
inductor hecho a base de electroimanes o imanes permanentes productores de un
campo magnético, y por un inducido que consta de un núcleo de hierro al cual se
le enrolla alambre conductor previamente aislado. En cualquier generador
eléctrico, el origen de la fem
inducida se debe al movimiento existente entre el campo magnético creado por el
inductor y los alambres conductores del inducido, lo cual provoca un flujo magnético
variable.
32. Un motor eléctrico es un aparato que transforma
la energía eléctrica en energía mecánica. Un motor de corriente continúa está
constituido por una bobina suspendida entre los polos de un imán. Al circular una
corriente eléctrica a través de la bobina, esta adquiere un campo magnético y actúa
como un imán, por lo que es desplazada en movimientos de rotación, debido a la
fuerza que hay entre los dos campos magnéticos. Todo motor eléctrico consta de
dos partes principales: el electroimán, llamado inductor o estator porque suele
ser fijo, y el circuito eléctrico que puede girar alrededor de un eje y recibe
el nombre de inducido o rotor.
33. El desarrollo del electromagnetismo fue
impulsado por muchos investigadores, de los cuales uno de los más importantes
fue Faraday, pero correspondió a Maxwell establecer las leyes del
electromagnetismo en la forma en que las conocemos actualmente. Estas leyes,
llamadas a menudo ecuaciones de Maxwell, desempeñan en el electromagnetismo el
mismo papel que las leyes de Newton del movimiento y de la gravitación
desempeñan en mecánica.
34. Existe una gran simetría en los procesos
de la electricidad y del magnetismo: los campos magnéticos cambiantes van
acompañados por campos eléctricos, y los campos eléctricos cambiantes van
acompañados por campos magnéticos.
35. Las ondas electromagnéticas tienen su
origen en las cargas eléctricas oscilantes.
36. Las ecuaciones de Maxwell sintetizan las
siguientes leyes: de Gauss para la electricidad; de Gauss para el magnetismo;
de Ampere y de Faraday de la inducción electromagnética.
Autoevaluación.
Escriba en su cuaderno las
respuestas a las siguientes preguntas. Si se le presentan dudas al responder
vuelva a leer la sección correspondiente del libro, la cual viene señalada al
final de cada pregunta para su fácil localización.
1. Por medio de un dibujo describa Que es el
electromagnetismo. (Introducción de la unidad 14).
2. Describa brevemente dos antecedentes
históricos que para usted sean de los más relevantes del electromagnetismo. (Sección
1).
3. Explique por qué el descubrimiento del
efecto magnético de la corriente y del fenómeno de la inducción
electromagnética revolucionaron a la ciencia. (Sección 1)
4. Describa por medio de un dibujo en qué
consistió el experimento realizado por Oersted para detectar un campo magnético
alrededor de un alambre por el que circula una corriente. Mencione también las
principales conclusiones del experimento. (Sección 2).
5. Dibuje y explique cómo es el campo
magnético producido por: a) un
conductor recto, b) una espira, c) la inducción magnética en el
interior de un solenoide. (Sección 2).
6. Escriba las expresiones matemáticas para
calcular: a) la inducción magnética
a una cierta distancia de un conductor recto por donde circula una corriente, b) la inducción magnética en el centro
de una espira y en el centro de una bobina, c) la inducción magnética en el interior de una solenoide. (Sección
2).
7. Explique qué sucede cuando una partícula
cargada, como el electrón, penetra en forma perpendicular a un campo magnético
y en forma paralela a las líneas de fuerza del campo. (Sección 3).
8. Escriba las expresiones matemáticas para
calculas la fuerza de Ampere sobre: a)
una carga eléctrica que penetra perpendicularmente y con un cierto ángulo a un
campo magnético, b) un conductor por
el cual circula una corriente, c) la
fuerza magnética entre dos conductores paralelos por los que circula una
corriente. (Sección 3).
9. Qué entiende por inducción electromagnética.
(Sección 4).
10. Mediante un dibujo describa en qué
consistieron los experimentos realizados por Faraday con una bobina y un imán,
para demostrar la producción de una corriente y una fem inducidas. (Sección 4).
11. Enuncie y explique la ley de Lenz.
(Sección 4).
12. Escriba la ley del electromagnetismo de
Faraday y su expresión matemática. (Sección 4).
13. Defina los siguientes conceptos: a) autoinducción, b) inductancia, c)
inductor, d) inductancia mutua.
(Sección 5).
14. Explique qué es un henry de inductancia.
(Sección 5).
15. Escriba la expresión matemática para
calcular la fem inducida en un
inductor. (Sección 5).
16. Explique cuál es la diferencia entre la
corriente continua y corriente alterna. (Sección 6)
17. Explique por qué en los hogares, fábricas
y oficinas se utiliza más la corriente alterna que la continúa. (Sección 6).
18. Mediante dibujos, haga la representación
gráfica del voltaje y la intensidad de la corriente en función del tiempo para:
a) corriente continua, b) corriente alterna. (Sección 6).
19. Diga cuáles son los elementos más comunes
que integran un circuito de corriente alterna. (Sección 7).
20. Explique cuándo es posible aplicar la ley
de Ohm en un circuito de corriente alterna sin sufrir modificaciones y cuando no
puede aplicarse en su forma original. (Sección 7).
21. Defina qué se entiende por: a) reactancia inductiva, b) reactancia capacitiva, c) reactancia, d) impedancia. Escriba también sus modelos matemáticos. (Sección
7).
22. Explique qué se entiende por un circuito
RLC en serie. (Sección 7).
23. Represente gráficamente con vectores, las
relaciones entre R, XL y Xc y
su valor resultante Z. (Sección 7).
24. Qué se entiende por ángulo de fase y cómo
se calcula. (Sección 7).
25. Defina los siguientes conceptos y escriba
sus modelos matemáticos: a) potencia
media consumida; b) factor de
potencia; c) potencia real, d) potencia total o teórica de un
circuito. (Sección 7).
26. Mediante un dibujo explique el principio
del funcionamiento de un transformador. (Sección 8).
27. Explique qué es un transformador elevador
y qué es un transformador reductor. (Sección 8).
28. Señale si existe diferencia en los
valores de: a) la potencia, b) la frecuencia, c) el voltaje, d) la
corriente; en el circuito primario y en el secundario de un transformador. En
caso de existir diferencias, explique cómo y por qué varían en cada caso.
(Sección 8).
29. Escriba las expresiones matemáticas que
relacionan a la potencia en el primario con la potencia en el secundario; y el
voltaje con el número de espiras en cada bobina de un transformador. (Sección
8).
30. Explique para qué se utiliza la bobina de
inducción o carrete de Ruhmkorff y cómo funciona. (Sección 9).
31. Explique qué es un generador eléctrico y
cómo está constituido. (Sección 10).
32. Diga qué es un motor eléctrico, cómo se
encuentra constituido y cuáles son las dos partes principales de cualquier
motor eléctrico. (Sección 11).
33. ¿Cuál es la relevancia de las ecuaciones
de Maxwell? (Sección 12).
34. ¿Qué originan los campos magnéticos
cambiantes y los campos eléctricos cambiantes? (Sección 12).
35. ¿Cuál es el origen de las ondas
electromagnéticas? (Sección 12).
36. ¿Cuáles son las leyes que se sintetizan
con las ecuaciones de Maxwell? (Sección 12).
Coevaluación.
Instrucciones: Consolide su aprendizaje, para ello lea y conteste en una hoja
las siguientes preguntas. Luego, intercambie con un(a) compañero(a) sus
respuestas. Coméntenlas, póngase de acuerdo y den respuestas comunes.
Discútanlas con las demás parejas y enriquezcan sus conocimientos con las
aportaciones de todos.
1. ¿Por qué un alambre conductor en un
circuito eléctrico abierto no atrae a un clavo cuando se le acerca pero sí lo
hace al cerrar el circuito?
2. ¿Cómo sería su vida actual sin utilizar la
energía eléctrica? Señale ventajas y desventajas y concluya señalando si
preferiría contar con su suministro o sin él y por qué.
3. ¿Qué ángulo debe llevar una partícula
cargada que se mueve en campo magnético cuando?
a) Recibe la mayor fuera magnética.
b) No recibe ninguna desviación.
4. ¿Cómo puede producir corrientes eléctricas
inducidas en el laboratorio escolar y cómo le haría para que la corriente inducida
fuera más intensa?
5. ¿Cómo se logra que la corriente eléctrica
recorra grandes distancias sin mucha pérdida de energía por calentamiento del
conductor?
6. Usted requiere reducir la intensidad de la
corriente en un circuito por medio de un transformador.
a) ¿Debe reducir o elevar el voltaje?
b) ¿Qué tipo de transformador utilizaría de
subida o de bajada?
7. ¿Qué usos le da de manera cotidiana a los
motores eléctricos?
8. ¿Cuál invento de los siguientes cuatro es
más relevante y por qué?: la televisión, el refrigerador, el generador
eléctrico o el foco eléctrico.
9. ¿Qué puede hacer de manera directa para
reducir su consumo de energía y disminuir la contaminación que produce al
ambiente?
Glosario.
● Bobina o solenoide.
Es la que se obtiene al enrollar un alambre
en forma helicoidal o de hélice, acción que recibe el nombre de devanar.
●Corriente alterna.
Es producida por los electrones que en un
conductor no se mueven en forma constante en la misma dirección, sino que
circulan alternativamente del polo negativo al positivo, y viceversa.
●Corriente continua o directa.
Es producida por los electrones que en un
conductor se mueven de manera constante del polo negativo al positivo en una
misma dirección.
●Corrientes inducidas.
Se producen cuando se mueve un conductor en
sentido transversal a las líneas de flujo de un campo magnético.
●Electromagnetismo.
Parte de la Física encargada de estudiar el
conjunto de fenómenos que resultan de las acciones mutuas entre las corrientes
eléctricas y el magnetismo.
●Espira.
Es la que se obtiene al doblar en forma
circular un conductor recto.
●Fuerza de ampere.
Fuerza debida a un campo magnético que actúa
sobre las partículas cargadas desviándolas de sus trayectorias.
●Generador eléctrico.
Aparato que sirve para transformar la energía
mecánica en energía eléctrica.
●Inducción electromagnética.
Es el fenómeno que da origen a la producción
de una fuerza electromotriz (voltaje) y de una corriente eléctrica inducida,
como resultado de la variación del flujo magnético debido al movimiento
relativo entre un conductor y un campo magnético.
●Inductancia propia o
autoinducción.
Es la producción de una fuerza electromotriz
en un circuito por la variación de la corriente en ese circuito.
●Ley de Faraday.
La fuerza electromotriz inducida en un
circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo
magnético que envuelve.
●Ley de Lenz.
La corriente inducida en una bobina es tal
que el campo magnético producido por ella se opone al campo magnético del imán
que la genera.
●Motor eléctrico.
Aparato que transforma la energía eléctrica
en energía mecánica.
●Reactancia.
Es una resistencia aparente que se debe sumar
a la resistencia de un circuito de corriente alterna para determinar su
impedancia, es decir, su resistencia total.
●Transformador.
Aparato que se emplea para aumentar o
disminuir el voltaje producido por generadores de corriente alterna.
Bet365 Casino site, list of bonuses, promotions, bonuses, free spins
ResponderEliminarLucky Club offers new customers an exclusive bonus for new members. It's like signing up with the luckyclub.live code FABET365, which is also known as the