INSTITUTO INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
CENTRO DE ESTUDIOS CIENTIFICOS Y TECNOLOGICOS NO. 2 “MIGUEL BERNARD”
“LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY Y EL
ASIGNATURA: FISICA IV
PROFESOR: HERNANDEZ ZAPIAIN CÉSAR DAVID DAVID
INTEGRANTES: DE LA ROSA GARCIA MIGUEL ANGEL HERNANDEZ ALV ALVARADO ISRAEL LOPEZ SANCHEZ RICARDO RAMIREZ LUCAS ANGEL JOTHAN SALINAS SUAREZ DIEGO SANDOVAL MORQUECHO MORQUEC HO ABRIL VITE MIRANDA VICTOR HUGO
SEMESTRE: GRUPO: IM!" CICLO ESCOLAR: 2#!$2#!% “B”
¿QUÉ ES LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA?
La inducción electromagnética es el proceso por el cual se puede inducir una corriente por medio de un cambio en el campo magnético. La fuerza que experimenta un alambre por el que pasa corriente debida a los electrones en movimiento cuando está en la presencia de un campo magnético es un ejemplo ejemplo clásico. clásico. Este Este proceso proceso también funciona funciona al revés. revés. Tanto Tanto mover mover un alambr alambre e a travé través s de un campo campo magnét magnétic ico o o (equi (equiva valen lente temen mente te cambi cambiar ar la magnit magnitud ud del del campo campo magn magnéti ético co con con el tiempo tiempo puede puede causa causarr que que flu!a flu!a una una corriente. También se puede decir que la inducción electromagnética es la producción de corr corrie ient ntes es eléc eléctr tric icas as por por camp campos os magn magnét étic icos os vari variab able les s con con el tiem tiempo po.. El descu descubr brimi imient ento o por por "arad "arada! a! ! #enr! #enr! de este este fenóme fenómeno no intro introdu dujo jo una una cierta cierta simetr$a simetr$a en el mundo mundo del electro electromagn magnetis etismo. mo. %ames %ames &ler' &ler' ax)ell ax)ell consigu consiguió ió reunir en una sola teor$a los conocimientos básicos sobre la electricidad ! el magne magnetis tismo. mo. *u teor$a teor$a electr electroma omagn gnéti ética ca predij predijo+ o+ antes antes de ser obse observa rvada das s experime experimental ntalment mente+ e+ la existen existencia cia de ondas ondas electrom electromagn agnétic éticas. as. #einric, #einric, -udolf -udolf #ert #ertz z comp compro robó bó su exis existe tenc ncia ia e inic inició ió para para la ,uma ,umani nida dad d la era era de las las telecomunicaciones. El descubrimiento+ debido a #ans &,ristian ersted+ de que una corriente eléctrica produce un campo magnético estimuló la imaginación de los f$sicos de la época ! multiplicó el n/mero de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la electricidad ! el magnetismo. En ese ambiente cient$fico pronto surgir$a la idea inversa de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. 0lgunos f$sicos estuvieron cerca de demostrar demostrar experimentalmente experimentalmente que también la naturaleza apostaba por tan atractiva idea. "arada! fue el primero en precisar en qué condicio condiciones nes pod$a pod$a ser observa observado do semejant semejante e fenómeno fenómeno.. 0 las corrien corrientes tes eléctric eléctricas as produc producidas idas mediant mediante e campos campos magnétic magnéticos os ic,ael ic,ael "arada! "arada! las llamó llamó corrientes inducidas. 1esde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctr eléctrico icos s a partir partir de campo campos s magné magnétic ticos os varia variabl bles es se deno denomin mina a induc inducció ción n electromagnética.
¿CÓMO SE DESCRIBE
ESTE FENÓMENO?
Este Este fenóme fenómeno no se puede puede desc describ ribir ir median mediante te dos dos le!es le!es fund fundame amenta ntales les de la inducción electromagnética2
3. La ley de Faraday+ descubierta por el f$sico del siglo 454 ic,ael "arada!. "arada!. Esta relaciona la razón de cambio de flujo magnético que pasa a través de una espira (o lazo a la magnitud de la fuerza electromotriz E inducida en la espira. La relación es2
E= dΦ & dt
La fuerza electromotriz+ o "E+ se refiere a la diferencia de potencial a través de la espira descargada (es decir+ cuando la resistencia en el circuito es alta. En la práctica es a menudo suficiente pensar la "E como un voltaje+ pues tanto el voltaje ! como la "E se miden con la misma unidad+ el volt. 6. La ley de Lenz es una consecuencia del principio de conservación de la energ$a apli aplica cado do a la indu inducc cció ión n elec electr trom omag agné néti tica ca.. "ue "ue form formul ulad ada a por #einric, Lenz Lenz en 3788. ientras que la le! de "arada! nos dice la magnitud de la "E producida+ la le! de Lenz nos dice en qué dirección flu!e la corriente+ ! establece que la dirección siempre es tal que se opone al cambio de flujo que la produce. Esto significa que cada campo magnético generado por una corriente inducida va en la dirección opuesta al cambio en el campo original. T$picamente incorporamos la le! de Lenz a la le! de "arada! con un signo menos+ que nos permite utilizar el mismo sistema de coordenadas para el flujo ! la "E. 0 veces nos referimos al resultado como la le! de "arada!9 Lenz.
E= - (dΦ & dt)
En la práctic práctica+ a+ frecuen frecuenteme temente nte lidiamos lidiamos con la inducci inducción ón magnéti magnética ca en espiras m/ltiples de alambre+ donde cada una contribu!e con la misma "E. :or esta razón+ incluimos un término adicional ;;; para representar el n/mero de vueltas+ es decir2
E= -N (dΦ & dt)
¿CUÁL ES LA CONEXIÓN ENTRE LA LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY Y LA FUERZA MAGNÉTICA? ientras que el fundamento teórico de la le! de "arada! es bastante complejo+ una comprensión conceptual conceptual de la conexión conexión directa con la fuerza magnética sobre magnética sobre una part$cula cargada es relativamente sencilla.
"igura 32 carga en un alambre en movimiento. *i consideramos un electrón que es libre de moverse dentro de un alambre. &oloc &olocamo amos s el alamb alambre re en un camp campo o magnét magnético ico vertica verticall ! lo movemo movemos s en la dirección perpendicular al campo con una velocidad constante+ como se muestra en la "igura 3. 0mbos extremos del alambre están conectados+ formando una espir espira a o lazo. lazo. Esto Esto garan garantiz tiza a que que cualqu cualquier ier traba trabajo jo reali realiza zado do para para crear crear una una corriente en el alambre se disipa en forma de calor en la resistencia del mismo.
*upongamos que una persona jala el alambre con una velocidad constante a través del campo magnético. &onforme lo ,ace+ debe aplicar una fuerza. El campo magnético constante no puede realizar trabajo por s$ mismo (de otro modo+ su magnitud cambiar$a+ pero puede cambiar la dirección de una fuerza. En este caso+ parte de la fuerza que aplica la persona es redirigida+ causando una fuerza electromotriz sobre el electrón que viaja en el alambre+ lo que establece una corriente. 0lgo 0lgo del trabajo que la persona realiza al jalar el alambre resulta en energ$a que se disipa en forma de calor dentro de la resistencia del alambre.
“EL EXPERIMENTO DE FARADAY” (Inducción por un imán que pasa a través de una bobina.)
El experimento fundamental que llevó a ic,ael "arada! a establecer su le! fue bastante sencillo+ ! podemos replicarlo fácilmente con poco más que materiales caseros. "arada! utilizó un tubo de cartón con alambre aislado enrollado a su alrededor para formar una bobina. &onectó un volt$metro a través de la bobina ! registró la "E inducida conforme pasaba un imán a través de la bobina. El dispositivo se muestra en la figura 6.
"igura 62 el experimento de "arada!2 un imán pasa a través de una bobina.
Las observaciones fueron las siguientes
3. El imán en reposo dentro o cerca de la bobina: no se observó voltaje.
6. El imán entrando en la bobina: se registró algo de voltaje+ que alcanzó su magnitud más alta cuando el imán se estaba acercando al centro de la bobina. 8. El imán pasando por el centro de la bobina: se registró un cambio s/bito de signo en el voltaje. <. El imán saliendo de la bobina: se registró un voltaje opuesto opuesto en la dirección inversa a la del imán moviéndose ,acia la bobina. =n ejemplo de la gráfica de la "E registrada contra la posición del imán se muestra en la "igura 8.
Estas observaciones son consistentes con la le! de "arada!. 0unque el imán en reposo puede producir un gran campo magnético+ no induce ninguna "E+ pues el flujo a través de la bobina no cambia. &uando el imán se acerca a la bobina+ el flujo se incrementa rápidamente ,asta que el imán se encuentra dentro de esta. &onforme la atraviesa+ el flujo magnético comienza a decrecer. &onsecuentemente+ la "E inducida se revierte.
Inducción en alambres paralelos
*i un par de alambres son paralelos el uno al otro+ es posible que una corriente variable en uno de los alambres induzca un pulso de "E en su vecino. Esto puede puede ser ser un probl problema ema cuan cuando do la corrie corrient nte e que que flu!e flu!e en alamb alambres res vecin vecinos os
representa información digital. =ltimadamente+ este efecto puede limitar la tasa a la cual podemos enviar datos de esta manera.
“EL TRANSFORMADOR”
El transfor transformado madorr eléctric eléctrico o es una máquina electromag electromagnéti nética ca que se usa para aumentar aumentar o disminui disminuirr una fuerza fuerza electrom electromotri otriz z (:otenc (:otencial+ ial+ tensión tensión eléctri eléctrica ca o volta voltaje je>> tambi también én se pued puede e usar usar para para aislar aislar eléct eléctric ricame amente nte un circu circuito ito.. Está Está compuesto de dos embobinados independientes (devanados en un n/cleo de aire o materi material al electr electroma omagné gnétic tico. o. *u princ princip ipio io de funci funciona onamie miento nto es la induc inducció ción n electr electroma omagn gnéti ética ca ! sólo sólo funci funcion ona a con &. 0. o corrie corriente nte direct directa a pulsa pulsante nte.. 0 continuación se muestran algunos s$mbolos2
"igura ?7. Tipos de transformadores.
llama devan devanado ado prima primari rio o al embob embobina inado do que que recib recibe e !evanado !evanado "rimario "rimario2 *e llama la fem de corriente alterna que se quiere aumentar o disminuir. -ecibe be este este nomb nombre re la bobi bobina na que que prop propor orci cion ona a el !evanado !evanado #ecundario #ecundario2 -eci potencial transformado a una carga.
denomin mina a as$ as$ al trans transfor formad mador or que que aumen aumenta ta $ransform $ransformador ador de #ubida #ubida2 *e deno la fem aplicada en el primario+ e 3+ también se le conoce como elevador. La razón de vuel vuelta tas s de secu secund ndar ario io a prim primar ario io (%s&%p) es ma!or ma!or que que 3+ es decir decir++ el embobinado secundario tiene más vueltas que el primario. &onoci cido do tamb tambié ién n como como redu reduct ctor or dism dismin inu! u!e e $rans ransfo form rmado adorr de 'aa 'aada da2 &ono la fem aplicada en el primario e 3+ la razón de vueltas de secundario a primario que 3+ es decir+ el embobinado secundario tiene menos vueltas (%s&%p) es menor que que el primario.
$ransformador de islamiento 2 Este no modifica la intensidad de la fem que se suministrada al primario+ se usa para aislar eléctricamente un circuito.
-elación entre fuerzas electromotrices de entrada ! salida de un transformador ! la relación de vueltas entre primario ! secundario2 La elevación o reducción de una fem puede calcularse con la relación aritmética.
Es &Ep * %s &%p (+) En la que e p es la fem suministrad suministrada a al primario+ en volt> e s es la fem transformada transformada ! obte obteni nida da en el secu secund ndar ario io++ en volt volt>> ! ;s@; ;s@;p p la razó razón n de vuel vuelta tas s entr entre e el secunda secundario rio ! el primario primario++ cantida cantidad d adimensi adimensional onal>> el resultad resultado o de esta esta divisió división n indica cuantas veces var$a la magnitud de la fem aplicada al primario.
"$sicamente+ "$sicamente+ la transformación transformación se efect/a porque al alimentar una fem de &. 0. al prima primario rio de un trans transfor formad mador or++ se prod produce uce una una corri corrien ente te altern alterna a varia variabl ble e en magn magnit itud ud ! pola polari rid dad+ ad+ lo que que prov provoc oca a en el n/c n/cleo leo un flu flujo vari variab able le que que aumenta senoidalmen senoidalmente te en una dirección+ se reduce ,asta desaparecer> desaparecer> aumenta en dirección contraria ,asta un máximo ! se vuelve a reducir ,asta anularse> repitiéndose esto periódicamente. La variación del flujo en el n/cleo induce una fem en el primario ! otra en el secundario+ que de acuerdo con la le! de "arada!+ en magnitudes son iguales a2
(,-p & ,t) Ep * % (,
(,-s & ,t) Es * % (,
1ividiendo ambas ecuaciones ! tomando en cuenta que la rapidez de flujo que atraviesa las bobinas es la misma+ tenemos2
Es &Ep * %s &%p La ecuación anterior también se le conoce como la ecuación del transformador. $ransformador Ideal
El transfor transformado madorr ideal ideal es aquel aquel que pasa $ntegra $ntegrament mente e la potenc potencia ia eléctric eléctrica a suministrada del primario al secundario. *us *us ecuac ecuacion iones es para para calcu calcular lar pote potenci ncia a eléct eléctric rica+ a+ fuerz fuerzas as electr electromo omotri trice ces+ s+ corrientes ! n/mero de vueltas de las bobinas son las siguientes.
P s * "e Es / E !
N s /N
EsIs * EpIp
"
I s /I ! N /N s
En la que 5 sA corriente en el secundario> e 5 p A corriente en el primario. La ecuación EsIs * EpIp indica que si la fem del secundario es ma!or que la del primario+ caso del transformador de subida+ la corriente en secundario se reduce para mantener la potencia constante. *ucede también esto para el transformador de bajada+ si se reduce la fem+ la corriente aumenta.
$ransformador /eal
En el transformador real+ la potencia obtenida en el secundario es menor que la suministrada al primario+ debido a las pérdidas de ésta en el n/cleo ! en los devanados. Las causas de pérdida de potencia por calentamiento son2 #istéresis+ Efecto %oule o &orrientes de "oucalult.
"igura ?B. En un transformador real+ la potencia en el secundario es menor que en el primario.
"érdidas de 0nerg1a por 2orrientes de Foucault
El transformador funciona en base a las variaciones de flujo+ éstas se presentan en el n/cleo de material ferromagnético> considerando esta función+ por le! de "arada! deducimos que entre dos puntos del n/cleo se induce una fem+ la que causa en el material una corriente denominada de "oucault. La corriente en el n/cleo es grande debido a la resistencia pequeCa del conductor (resistencia (resistencia del n/cleo en que se presenta> lo que provoca un desprendimiento grande de calor por efecto %oule. :ara reducir el calor+ los n/cleos se laminan+ aumentando+ de esta forma la resistencia del material ferromagnético con la reducción del área ! por consecuencia la disminución de la corriente ! el calor.
"igura D. En un n/cleo laminado se reducen las corrientes de "oucault.
"érdidas de 2alor por 0fecto 3oule en los !evanados
*abemos que cuando circula corriente por un conductor+ éste se calienta por la gran cantidad de c,oques entre las cargas al moverse. El aumento de corriente en él es causa directa del calentamiento por efecto %oule.
"érdidas de 0nerg1a por 4istéresis
La variación del flujo en el n/cleo de un transformador ,ace que éste se imane ! desiman desimane e periódi periódicame camente nte conform conforme e var$a var$a la frecuenc frecuencia ia de variació variación n del flujo+ flujo+ dando lugar a un ciclo de ,istéresis. *e ,a comprobado que el área envuelta por el ciclo de ,istéresis es proporcional al calentamiento del n/cleo+ motivo por el cual+ para redu educir las pérd érdidas das por ,isté stéres resis+ is+ se escog cogen para ara cons onstru truir transformadores+ materiales cu!a área interna en el ciclo de ,istéresis sea mu! reducida. El ,ierro dulce o el ,ierro al silicio cumplen adecuadamente con esta
condición.
"igura D3. &iclo de #istéresis.
APLICACIONES DE LOS TRANSFORMADORES
Entre Entre las muc,a muc,a aplicac aplicacione iones s de los transfor transformado madores res se encuent encuentra ra utilizar utilizarlos los como2 *oldadores eléctricos+ relevadores ó relés> calentadores> formando parte de eliminad eliminadores ores de bater$as bater$as ! su aplicac aplicación ión original original++ elevador elevadores es de tensión tensión para transmitir energ$a eléctrica a grandes distancias a costo bajo.
&omo soldadores se pueden utilizar transformadores de subida o de reducción+ en los dos dos casos casos las corri corrient entes es inten intensa sas s produ produci cidas das al cerra cerrarr el secun secunda dario rio del del transformador+ directa o indirectamente+ llegan a fundir un metal con otro.
:or lo que respecta al uso como calentadores calentadores de agua+ un transformador reductor reductor es capaz de aumentar la temperatura de un fluido+ si éste pasa por el secundario del transformador o se deposita de alguna forma+ !a que la corriente en este devanado es mu! grande.
&on &on el adve adveni nimie miento nto de la electr electrón ónica ica++ el uso uso de los transf transform ormad adore ores s se ,a incrementado debido a que los circuitos electrónicos usan bajas tensiones para su alimentación ! consumen grandes cantidades de corriente para sus funciones+ siendo esto propio para el uso de transformadores de bajada.
