FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA

FUERZA ELECTROMOTRIZ 

La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. Con carácter general puede explicarse por la existencia de un campo electromotor  cuya circulación, , define la fuerza electromotriz del generador.

Se define como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo, dividido por el valor en Culombios de dicha carga.

Esto se justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario realizar un trabajo o consumo de energía (mecánica, química, etcétera) para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial (el polo negativo al cual llega) a otro de mayor potencial (el polo positivo por el cual sale).

EJERCICIOS PROPUESTOS:

Un generador conectado a un circuito ha producido una energía de 5000 J. Calcula la fuerza electromotriz si la carga que ha circulado es de 250C.

La energía eléctrica es equivalente a la carga que se traslada por la fuerza electromotriz que se induce en el circuito:  
Ahora despejamos y sustituimos en la primera de las ecuaciones: 

Flujo Magnetico

FLUJO MAGNÉTICO

El flujo magnético Φ (representado por la letra griega fi Φ), es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. 
La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb (motivo por el cual se conocen como perímetros los aparatos empleados para medir el flujo magnético).
En el sistema cegesimal se utiliza el maxwell (1 weber =108 maxwells).


El flujo magnético representa el numero de lineas de fuerza que atraviesan una superficie.

  Flujo magnético:     F_m = B·S·cos q

Las tres formas que hay de variar con el tiempo el flujo de un campo magnético a través de una superficie: 

• Cuando el campo cambia con el tiempo B(t).
• Cuando el área de la espira cambia con el tiempo A(t).
• Cuando el ángulo entre el vector campo B y el vector superficie A cambia con el tiempo q(t). 

EJERCICIOS PROPUESTOS:

Calcula cuál será el flujo magnético que sale por el polo norte de un imán si su superficie es de 40 cm² y la inducción magnética en dicha superficie es de 2,5 T.

La fórmula que debemos aplicar es:

Como no nos dicen nada del ángulo que forman B y S, suponemos que son perpendiculares, es decir, forman un ángulo de 90º. Como el coseno de 90º es 1, la expresión anterior queda:

Φ=B.S= 2,5 . 0,0040 = 0,01 Wb

Joseph Henry

JOSEPH HENRY

Joseph Henry (Albany, 17 de diciembre de 1797 - Washington D. C., 13 de mayo de 1878) fue un físico estadounidense conocido por su trabajo acerca del electromagnetismo, en electroimanes y relés. Descubrió la inducción electromagnética aunque luego averiguó que Faraday se le había adelantado.

Las vidas de M. Faraday y Joseph Henry tienen muchos elementos en común. Los dos provenían de familias muy humildes y se vieron obligados a trabajar desde muy jóvenes por lo que no pudieron seguir sus estudios. Henry fue aprendiz de relojero a los trece años (Faraday lo sería de encuadernador también a esa misma edad).

Como Faraday, Henry se interesó por el experimento de Ørsted y, en 1830, descubrió el principio de la inducción electromagnética, pero tardó tanto tiempo en publicar su trabajo que el descubrimiento se le concedió a Faraday.

En 1831, Henry inventó el telégrafo y, en 1835, perfeccionó su invento para que se pudiese usar a muy largas distancias. Con todo, no lo patentó. Fue Samuel Morse quien, ayudado personalmente por Henry, puso en práctica el primer telégrafo en 1839 entre Baltimore y Washington, después de conseguir ayuda financiera del Congreso de los Estados Unidos.

Henry destacó también como un excelente administrador. Ejerció cargos de máxima responsabilidad en varias instituciones científicas estadounidenses. Fomentó el desarrollo de nuevas ciencias y alentó el intercambio y la comunicación de ideas científicas a escala mundial.

EL EXPERIMENTO DE HENRY

Henry descubrió, de forma independiente y simultánea a Faraday, que un campo magnético variable induce una fuerza electromotriz. En particular, Henry observó que, si un conductor se mueve perpendicularmente a un campo magnético, aparece una diferencia de potencial entre los extremos del conductor.

El interés del experimento de Henry reside en que la aparición de la fuerza electromotriz inducida puede ser explicada de forma clara por la ley de Lorentz, es decir, por las fuerzas que el campo magnético ejerce sobre las cargas del conductor.

Michael Faraday

MICHAEL FARADAY

Michael Faraday, FRS (Newington, 22 de septiembre de 1791-Londres, 25 de agosto de 1867), fue un físico y químico británico que estudió el electromagnetismo y la electroquímica. Sus principales descubrimientos incluyen la inducción electromagnética, diamagnetismo y la electrólisis.

Faraday es mejor conocido por su trabajo relacionado con electricidad y magnetismo. Su primer experimento registrado fue la construcción de una pila voltaica con siete monedas de medio penique, apiladas junto a siete discos chapados en cinc y seis trozos de papel humedecidos con agua salada. Con esta pila pudo descomponer el sulfato de magnesio (primera carta a Abbott, 12 de julio de 1812).

Corriente

CORRIENTE ELÉCTRICA

La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombis sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electro-imán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

EJERCICIO PROPUESTO

Un conductor de 600 metros de longitud tiene una resistencia de 20 ohmios y una resistividad de 0,02 Ω . mm2 / m. Calcular el diámetro del conductor ?

Solución

Calculemos el área:

Así

Corriente Inducida

CORRIENTE INDUCIDA

Esta técnica consiste en generar corriente eléctrica en un material conductor. En 1831, Michael Faraday observó que un imán generaba una corriente eléctrica en las proximidades de una bobina, siempre que el imán o la bobina estuvieran en movimiento.

La explicación teórica fue:

·   Es necesario un campo magnético variable (imán, bobina o cable en movimiento) para crear una corriente eléctrica en el cable o en la bobina.

· Esta corriente se conoce como corriente inducida, y el fenómeno, como inducción electromagnética. La corriente eléctrica inducida existe mientras dure la variación del campo magnético.

·La intensidad de la corriente eléctrica es tanto mayor cuanto más intenso sea el campo magnético y cuanto más rápido se muevan el imán o la bobina.

PRINCIPIOS PARA LA GENERACIÓN DE CORRIENTES INDUCIDAS

·Conductividad. La conductividad del material varía de acuerdo a su composición química.

·  Cambios de temperatura. Cuando aumenta la temperatura la conductividad disminuye.

·Esfuerzos. En un material debido al trabajo en frío producen distorsión en la estructura. Este proceso mecánico cambia la estructura la estructura de grano y la dureza del material, cambiando su conductividad eléctrica.

·Dureza. La conductividad eléctrica disminuye cuando la dureza aumenta.

·Permeabilidad. En cualquier material es la facilidad con la cual pueden establecer líneas de fuerza magnética. El aire tiene una permeabilidad de 1.

Condición para inducir una corriente eléctrica: 

La corriente eléctrica inducida existe mientras dure esta variación, y su intensidad es tanto mayor cuanto más rápida sea dicha variación.
Una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético, y un campo magnético variable inducido, a su vez, una corriente eléctrica en un circuito.

Ejercicios propuestos:

Aplicando la ley de Faraday


En la figura se muestra el flujo (en color azul) y la fem (en color rojo).

• La velocidad del imán es negativa v<0
• Para z>0 la pendiente dФ/dz es positiva, la fem V_e >0 es positiva
• Para z<0 la pendiente dФ/dz es negativa, la fem V_e <0 es negativa

Esta función tiene dos extremos (un máximo y un mínimo) que calculamos haciendo dV_e /dz=0 y se sitúan en z=±b/2., como podemos comprobar fácilmente.

El valor máximo de la fem es

El valor máximo de la fem V_e  es más grande para bobinas de menor radio b.