Campo Magnético, Campo Eléctrico y FEM Inducida 1) ¿Qué características tienen los imanes? ¿Es posible separar sus polos? ¿Cómo se magnetizan los imanes naturales que existen en la Tierra? ¿Qué diferencias existen entre los materiales magnéticos blandos y los duros? ¿Qué letra se emplea para referirse al campo magnético y cómo se definen las líneas de campo? Explicá la aplicación que tiene el magnetismo en la detección de huellas digitales. Respuestas en el libro y/o en la carpeta 2) ¿Coinciden el polo norte geográfico y el polo norte magnético? ¿Cómo se orientaría en diferentes lugares del mundo una brújula que pueda moverse tanto en el plano horizontal como en el plano vertical? ¿Las brújulas verdaderamente apuntan al polo norte geográfico? ¿Puede ser el mineral de hierro que hay dentro de la Tierra el responsable del campo magnético de la misma? ¿De qué manera se puede observar que el campo magnético terrestre se ha invertido a lo largo de la historia? ¿Cómo se emplea el campo magnético terrestre para marcar las pistas de aterrizaje de los aeropuertos? Respuestas en el libro y/o en la carpeta 3) ¿En qué circunstancia actúa una fuerza magnética sobre una carga eléctrica? ¿Cómo se calcula la magnitud de dicha fuerza? ¿Cómo se determina el sentido de la misma? Indicar la unidad de medida del campo magnético y expresarla como una combinación de Newton, Ampere y metro. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético, sobre ella actúa una fuerza magnética. Alcanza el máximo cuando la carga se mueve en una dirección perpendicular a las líneas de campo y se vuelve cero cuando la partícula se mueve a lo largo de las líneas de campo (es decir, paralela a ellas) La intensidad de la fuerza es proporcional a la magnitud de la carga q, la magnitud de la velocidad v, la intensidad del campo externo B, y el seno del ángulo Θ (tita) entre la dirección de v y la dirección B: F= q. v.B.sen Θ Las unidades de B se pueden entender como: [B]=T=wb= N m2 C.m/s Donde: T es igual al Tesla, wb=webber y A, ampere.

= N A.m

El sentido de la fuerza se determina empleando la regla de la mano derecha: primero hay que hacer coincidir el dedo pulgar con el sentido de la velocidad, luego hay que hacer coincidir el índice con el sentido del campo magnético. Finalmente, el dedo mayor apuntará en el sentido de la fuerza, la cual siempre es perpendicular al plano determinado por los vector velocidad

y

campo

magnético

(es

decir, es simultáneamente perpendicular a ambos) Para mayor claridad ver el esquema anterior. Para mas información se puede visitar la siguiente página: http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magnetico 4) ¿Cómo se puede observar la fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente? ¿Cómo se calcula la intensidad de dicha fuerza? Explicá el funcionamiento de un parlante o bocina. La primera parte de la pregunta tiene su respuesta en la carpeta y/o en el libro. En cuanto al funcionamiento de los parlantes la información subida a la Wiki es la siguiente. Un parlante (o altavoz) de bobina móvil es un transductor electro-mecánico, es decir, que transforma energía eléctrica en sonora. Mediante la implementación de una bobina móvil y la utilización de fuertes imanes, el parlante puede reproducir mayor rango de frecuencias sonoras a grandes potencias y con menor distorsión. El imán y las dos piezas ferromagnéticas (disco y cilindro central), forman un circuito magnético con entrehierro en la zona donde está la bobina.

En

la

Figura

se

ha

esquematizado con 3 flechas el sentido del flujo magnético dentro del circuito

magnético.

Las

piezas

ferromagnéticas desvían el campo del imán al entrehierro donde se cierran las líneas de campo magnético entre el polo magnético norte N´ inducido en el cilindro central, y el polo magnético sur S del imán, dejando a

la bobina inmersa en el campo estático. La corriente eléctrica variable interactúa con el campo estático, produciéndose una fuerza magnética sobre la corriente. La magnitud de esta fuerza es proporcional al campo estático y a la intensidad de la corriente mientras que su dirección es perpendicular al plano que forman la corriente variable y el campo estático. Por lo tanto, la bobina se desplaza longitudinalmente según las variaciones de la corriente. Como la bobina móvil se encuentra adherida al cono, éste se mueve desplazando el aire hacia atrás y adelante (como se esquematiza con una doble flecha), generando longitudinalmente ondas elásticas de presión (es decir, ondas acústicas).

De éstas,

las que varían

aproximadamente entre unos 20 y 20000 ciclos por segundo (20 Hz - 20 kHz), producen vibraciones en pequeños huesos del oído, que son detectadas por el sistema auditivo humano 5) Analizá el efecto de la fuerza magnética sobre un lazo de corriente ¿Qué es el torque y cómo se calcula en este caso? Explicá el funcionamiento de un motor eléctrico de corriente continua La primera parte de la pregunta tiene su respuesta en la carpeta y/o libro. En cuanto al funcionamiento del motor de corriente continua la información subida a la Wiki es la siguiente. Cuando se aplica una fuerza en algún punto de un cuerpo rígido, el cuerpo tiende a realizar un movimiento de rotación en torno a algún eje. La propiedad de la fuerza para hacer girar al cuerpo se mide con una magnitud física que llamamos torque o momento de la fuerza. El torque se define como fuerza por la distancia del eje. T =F x D, donde T= Torque, F= Fuerza, D= distancia al eje de rotación (medida perpendicularmente a la fuerza) La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético. Un campo magnético, que se forma entre los dos polos opuestos de un imán. Es una región donde se ejerce una fuerza sobre determinados metales o sobre otros campos magnéticos. Un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico. Accionar un motor CC es muy simple y solo es necesario aplicar la tensión de alimentación entre sus bornes. Para invertir el sentido de giro basta con invertir la alimentación y el motor comenzará a girar en sentido opuesto.

Cuando se introduce una espira de hilo de cobre en un campo magnético y se conecta a una batería, la corriente pasa en un sentido por uno de sus lados y en sentido contrario por el lado opuesto. Así, sobre los dos lados de la espira se ejerce una fuerza, en uno de ellos hacia arriba y en el otro hacia abajo. Sí la espira de hilo va montada sobre el eje metálico, empieza a dar vueltas hasta alcanzar la posición vertical. Entonces, en esta posición, cada uno de los hilos se encuentra situado en el medio entre los dos polos, y la espira queda retenida. Para que la espira siga girando después de alcanzar la posición vertical, es necesario invertir el sentido de circulación de la corriente. Para conseguirlo, se emplea un conmutador o colector, que en el motor eléctrico más simple, el motor de corriente continua, está formado por dos chapas de metal con forma de media luna, que se sitúan sin tocarse, como las dos mitades de un anillo, y que se denominan delgas. Los dos extremos de la espira se conectan a las dos medias lunas. Dos conexiones fijas, unidas al bastidor del motor y llamadas escobillas, hacen contacto con cada una de las delgas del colector, de forma que, al girar la armadura, las escobillas contactan primero con una delga y después con la otra. Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, la armadura empieza a girar y la rotación dura hasta que la espira alcanza la posición vertical. Al girar las delgas del colector con la espira, cada media vuelta se invierte el sentido de circulación de la corriente eléctrica. Esto quiere decir que la parte de la espira que hasta ese momento recibía la fuerza hacia arriba, ahora la recibe hacia abajo, y la otra parte al contrario. De esta manera la espira realiza otra media vuelta y el proceso se repite mientras gira la armadura. 6) ¿Quién descubrió que existía una relación entre la corriente eléctrica y el magnetismo? ¿En qué año se produjo dicho descubrimiento? ¿De qué manera se observó esta relación? ¿Qué forma tiene el campo magnético alrededor de un alambre recto portador de corriente y cómo se determina el sentido del mismo? Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflectaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo.

Dependiendo donde va el sentido de la corriente cambia al sentido de la brújula Falta completar la respuesta con el campo alrededor de un alambre recto y la forma de determinar el sentido del mismo (ver libro y/o carpeta)

7) Graficá las líneas de campo para: a) un imán recto, b)Un solenoide firmemente devanado

8) Explicá las características y el funcionamiento del experimento de Faraday. Un experimento realizado por Faraday demostró que un campo magnético variable puede producir una corriente inducida. El experimento consiste en una bobina primaria conectada a una batería y una bobina secundaria, ambas arrolladas sobre un anillo de hierro. Cuando una corriente variable circula por el primario se genera un campo magnético variable y aparece una corriente inducida en el secundario.

9) ¿Cómo se calcula el flujo magnético en un lazo de alambre conductor? ¿En qué caso el flujo es máximo y en qué caso es mínimo? ¿En qué unidades se mide? El Flujo magnético ΦB a través de un lazo de alambre con área A se define mediante ΦB = B(perpendicular). A= B.A.cos Θ Donde B (perpendicular) es la componente B perpendicular al plano del lazo, Θ es el ángulo entre B y la normal (perpendicular) al plano del lazo.

Unidad SI: Wb (weber) Cuando las líneas del campo son perpendiculares al plano del lazo el flujo magnético a través del lazo es un máximo e igual a ΦB = B.A Cuando las líneas de campo son paralelas al plano del lazo, el flujo magnético a través del lazo es cero.

10) ¿Qué experimento sencillo nos puede mostrar cómo se obtiene un fem inducida? Enunciá la Ley de Faraday y escribí su ecuación matemática. Considere un lazo de alambre conectado a un amperímetro. Si un imán se mueve hacia el lazo, el amperímetro lee una corriente en un sentido. Cuando el imán se sostiene estacionario, el amperímetro no indica corriente alguna. Si ahora se aleja al imán del lazo en el sentido opuesto al anterior, entonces el amperímetro indica una corriente inducida de sentido opuesto a la que se había observado primero. Si el imán se mantiene estacionario y el lazo se mueve hacia o desde el imán, el amperímetro también indica una corriente. A partir de estas observaciones, se puede concluir que en al circuito se establece una corriente en tanto haya un movimiento relativo entre el imán y el lazo. A tal corriente se la llama corriente inducida porque se produce mediante una FEM

inducida La ley de inducción magnética de Faraday dice que si un circuito contiene N lazos firmemente devanados y el flujo magnético a través de cada lazo cambia por la cantidad ΔΦb durante el intervalo Δt, la FEM inducida promedio en el circuito durante el tiempo Δt es: ε=-N. ΔΦB Δt 11) ¿Qué dice la ley de Lenz? La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía. La polaridad de una FEM inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.

12) Explicar de manera sencilla el funcionamiento de un interruptor diferencial o disyuntor (Interruptor de fallo a tierra) 13) El interruptor de fallo a tierra (interruptor diferencial o disyuntor) es un interesante dispositivo de seguridad que protege a las personas contra choques eléctricos cuando tocan electrodomésticos y herramientas eléctricas. Su operación utiliza la ley de Faraday. La figura muestra las partes esenciales de un interruptor de fallo a tierra. El alambre marrón va del tomacorriente en la pared al aparato a proteger y el alambre azul va de regreso del aparato al tomacorriente en la pared. Un anillo de hierro rodea los dos alambres para confinar el campo magnético que establece cada alambre. Una bobina de detección (roja), que puede activar un interruptor cuando ocurre un cambio en flujo magnético, se enrolla en torno a parte del anillo de hierro. Puesto que las corrientes en los alambres están en direcciones opuestas, el campo magnético neto a través de la bobina de detección debido a las corrientes es cero. Sin embargo, si ocurre una descarga a tierra de modo que no hay corriente de retorno (o es menor a la que ingresa), el campo magnético neto a través de la bobina de detección ya no es cero. Una descarga a tierra puede ocurrir si, por ejemplo, uno de los alambres pierde su aislamiento, lo que proporciona una ruta a través de usted hacia la tierra si sucede que toca el aparato y usted esta aterrizado. Puesto que la corriente es alterna, el flujo magnético a través de la bobina cambia con el tiempo, lo que produce un voltaje inducido en la bobina. Este voltaje inducido, se usa para disparar un interruptor lo que detiene la corriente rápidamente (en aprox. 1 ms) antes de llegar a un nivel que puede ser dañino para la persona que usa el aparato. El disyuntor además posee un botón de prueba

que

esquematizado

en

el

caso

conecta

una

resistencia de prueba cerrando el circuito por fuerza del núcleo de hierro. Esta situación genera una diferencia entre la corriente que ingresa

y

la

que

egresa

del

interruptor diferencial y hace que se active el relé de corte.

14) ¿Cómo se produce el sonido en una guitarra eléctrica? En las guitarras eléctricas existen unas pastillas ubicadas después del puente y antes del mástil. Las pastillas (pickup en inglés) electromagnéticas están formadas por un imán permanente rodeadas por un bobinado de alambre de cobre. Cuando un cuerpo metálico ferromagnético se mueve dentro del campo magnético del imán permanente se provoca una corriente inducida en el bobinado proporcional a la amplitud de movimiento y de frecuencia igual a la de la oscilación del cuerpo. Esta corriente es muy débil, por lo que el cableado del interior de la guitarra y el que va desde ésta hasta la amplificación debe estar muy bien apantallado, para evitar ruidos parásitos.

15) ¿Cómo se puede monitorear a un bebé para detectar casos de muerte súbita? El síndrome de muerte súbita del lactante, o SMLS, es una afección devastadora en la que un bebé súbitamente deja de respirar durante el sueño sin una causa aparente. En ocasiones se utiliza un tipo de dispositivo de monitoreo, llamado monitor de apnea, que alerta a los cuidadores del cese de la respiración. El dispositivo usa corrientes inducidas. Una bobina de alambre unida a un lado del pecho del bebé porta una corriente alterna. El flujo magnético variable producido por esta corriente pasa a través de una bobina de captación unida al lado opuesto del pecho del bebé. La expansión y contracción del pecho provocada por la respiración del mismo cambian la intensidad del voltaje inducido en la bobina de captación. Pero, sin embargo, si la respiración se detiene, el patrón del voltaje inducido se estabiliza y los circuitos externos que monitorean el voltaje activan una alarma para que el cuidador, después de una pausa momentánea, se asegure de que en realidad existe un problema. 16) Explicar las características básicas y el principio de funcionamiento de un generador eléctrico El generador de corriente eléctrica es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica. Hay generadores de corriente alterna (CA) y corriente directa (CD) 

El generador CA consiste de un lazo de alambre que gira en un campo magnético activado por algún medio externo. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica, por lo que la mayoría de los generadores eléctricos son de este tipo. En su forma más simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura están sacados a los anillos colectores sólidos sin segmentos del árbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua más que con el generador en sí. Los

generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más facilidad la frecuencia deseada. Las armaduras rotatorias no son prácticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallos mecánicos que podrían causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un número de imanes de campo. El principio de funcionamiento es el mismo que el del generador de corriente alterna descrito con anterioridad, excepto en que el campo magnético (en lugar de los conductores de la armadura) está en movimiento



El generador de (CD) los componentes son los mismos que en los del generador CA, excepto que los contactos a la espira giratoria están hechos mediante un anillo colector conmutador. En este diseño el voltaje de salida siempre tiene la misma polaridad y la corriente es una corriente directa que pulsa. Los contactos al anillo colector invierten sus papeles cada medio ciclo. Al mismo tiempo, la polaridad de la Fem. inducida se invierte. Por lo tanto, la polaridad del anillo colector permanece igual.

Una corriente CD que pulsa no es adecuada para la mayoría de las aplicaciones. Para producir una corriente CD estacionaria, los generadores CD comerciales usan muchas espiras y conmutadores distribuidos en torno al eje de rotación, de modo que los pulsos sinusoidales de las espiras se traslapan en fase. Cuando estos pulsos se superponen, la salida CD casi está libre de fluctuaciones