9.Ley de Faraday y Lenz para la inducción electromagnética. Valor de la fuerza electromotriz inducida. Sentido de la corriente.
Evidencias experimentales.(Experiencias de Faraday)
Una corriente eléctrica inducida es aquella que aparece espontáneamente sin que el hilo conductor esté conectado a un generador. Experimentalmente se comprueba que: – Si se acerca o aleja un imán a una espira en ésta se genera una corriente eléctrica inducida. Lo mismo ocurre si se mueve la espira y permanece quieto el imán. La corriente inducida cesa cuando finaliza el movimiento relativo espira-imán. – Cuando se abre o cierra un circuito también se detectan corrientes inducidas.
Flujo de campo magnético
El flujo de un campo magnético (Φ) es una medida de la cantidad de líneas de campo que atraviesan una superficie.Φ=B.S=B.S.Cosα
Unidades= Weber (Wb) B= Intensidad de campo magnético (T). S= Superficie (m2 ). El vector superficie es perpendicular a la superficie que representa. α= Ángulo formado entre los vectores campo y superficie. Φ= 0Φ =Φ max / Φ= 90º Φ= 0.
Ley de Faraday-Lenz
La variación del flujo magnético que atraviesa un circuito genera una corriente eléctrica inducida cuya fuerza electromotriz (f.E.M) inducida es directamente proporcional a la velocidad de variación de dicho flujo. (Ley de Faraday – Henry). El sentido de la corriente inducida es tal que, directamente o por sus efectos, se opone a la causa que la produce. (Ley de Lenz) E= -N. DΦ/dt E= Fuerza electromotriz instantánea (V) Φ= Flujo (Wb) t = Tiempo (s) N = Número de espiras. Para calcular la fuerza electromotriz media en un intervalo: Em= -N.ΔΦ/Δt10.Generador de corrientes alternas sinusoidales (alternador)
Un generador de corriente elemental o alternador consiste en una espira (o carrete) que gira en el seno de un campo magnético externo, en torno a un eje perpendicular a dicho campo. El giro hace que en todo instante vaya variando el ángulo formado entre el campo magnético y la superficie delimitada por la espira. El flujo magnético a través de la espira varía continuamente y por tanto, según la ley de Faraday Lenz, se induce en la espira una corriente eléctrica cuya f.E.M es directamente proporcional a la velocidad de variación del flujo y su sentido tal que se opone a la causa que la provoca
Los alternadores son piezas habituales en máquinas y motores y también en las centrales eléctricas. En la práctica los alternadores suelen construirse de modo que se hace girar el campo magnético alrededor del circuito estático en el cual se recoge la corriente inducida, pero el fundamento físico de la aparición de la corriente inducida es el mismo. La figura muestra un esquema básico de un alternador. El rotor es el elemento giratorio que recibe la fuerza mecánica de rotación. Es a su vez el inductor puesto que contiene los imanes (o electroimanes) que generan el campo magnético. El circuito estático (estátor) es el inducido puesto que en él se recoge la corriente inducida. En toda central eléctrica la generación de corriente se produce en última instancia por el movimiento relativo de los dispositivos conductores y los productores del campo magnético. La diferencia entre unas centrales y otras (hidráulica, térmica, eólica, nuclear…) proviene de la fuente de energía primaria utilizada para el movimiento mecánico de las diferentes partes de la instalación.
11.Movimiento armónico simple
Un movimiento periódico es aquel en el que una partícula repite su posición, velocidad y aceleración en intervalos iguales de tiempo. Un ejemplo es el movimiento circular uniforme. Dentro de los movimientos periódicos son oscilatorios aquellos en los cuales se produce un movimiento de vaivén a un lado y otro de una posición de equilibrio, por ejemplo un péndulo. Si las oscilaciones son rectilíneas el movimiento es vibratorio. Dentro de estos un movimiento vibratorio es armónico simple si la aceleración del móvil es directamente proporcional y de signo opuesto a la distancia a la posición de equilibrio. Son movimientos armónicos simples (m.A.S): las oscilaciones de un cuerpo sujeto a un muelle, un péndulo que describe oscilaciones pequeñas o la proyección de un movimiento circular uniforme sobre uno de los diámetros de la circunferencia.
Ecuación
En la figura superior se muestran diversas posiciones de un móvil que describe un MCU de radio A a velocidad w. También se han representado las proyecciones sobre el diámetro horizontal. Puede comprobarse que ambos movimientos tienen el mismo periodo (tiempo en dar una vuelta). Aprovechando esto podemos deducir la ecuación del movimiento (x = x(t)) de la proyección sobre el diámetro.
x = A cos (wt + Y0) La ecuación deducida es válida para cualquier m.A.S. También es posible definirla a partir de una función seno x = A sen (wt +Y0)
Definición de las magnitudes t (s) = tiempo que lleva vibrando el objeto. X (m)= ELONGACIÓN: posición de la partícula respecto al punto de equilibrio en un determinado instante. A (m) = AMPLITUD: Máxima distancia posible entre el objeto y la posición de equilibrio. Máxima elongación. W (rad/s) = PULSACIÓN O FRECUENCIA ANGULAR: Magnitud que permite relacionar el periodo de oscilación con la posición. W= 2π/T f= 1/T T (s) = PERIODO: Tiempo para efectuar una oscilación completa. F(s-1 = Hz) = FRECUENCIA: Número de vueltas efectuadas en la unidad de tiempo. Yo (rad) = FASE INICIAL: Parámetro que permite definir correctamente la posición (elongación) en el instante inicial del movimiento. Se denomina DESFASE a la diferencia entre dos puntos del movimiento referida a la posición angular. En la siguiente figura se representa un m.A.S. Vertical, a la derecha se han trazado las posiciones del oscilador en función del tiempo transcurrido desde el inicio del movimiento. Sobre la gráfica se ha indicado la elongación (y), la amplitud (A) y el periodo (T).
Ecuaciones de la velocidad y de la aceleración
Dinámica del m.A.S.. Periodo. El ejemplo más típico del m.A.S es el de un objeto sujeto a un muelle. En este caso la fuerza restauradora del muelle cumple la ley de Hooke y es la fuerza resultante sobre el objeto (oscilador)
T = periodo (s); m = masa que oscila (kg); k = constante restauradora del muelle (N/m)