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Capítulo 31A
Capítulo 31A
Inducción electromagnética
Inducción electromagnética
Presentación PowerPoint de
Presentación PowerPoint de
Paul E. Tippens, Profesor de Física
Paul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State University
Southern Polytechnic State University
© 2007
Objetivos:
Objetivos: Después de completar
Después de completar
este módulo deberá:
este módulo deberá:
• Calcular la
Calcular la magnitud
magnitud y
y dirección
dirección de la
de la
corriente inducida o fem
corriente inducida o fem en un conductor que
en un conductor que
se mueve con respecto a un
se mueve con respecto a un campo B
campo B dado.
dado.
• Calcular el
Calcular el flujo magnético
flujo magnético a través de una
a través de una
área en un
área en un campo B
campo B dado.
dado.
• Aplicar la
Aplicar la ley de Lenz
ley de Lenz y la
y la regla de la mano
regla de la mano
derecha
derecha para determinar direcciones de fem
para determinar direcciones de fem
inducida.
inducida.
• Describir la operación y uso de los
Describir la operación y uso de los
generadores
generadores o
o motores
motores ca y cd.
ca y cd.
Corriente inducida
Corriente inducida
Cuando un conductor se mueve a
Cuando un conductor se mueve a
través de líneas de flujo, las fuerzas
través de líneas de flujo, las fuerzas
magnéticas sobre los electrones
magnéticas sobre los electrones
inducen
inducen una corriente eléctrica.
una corriente eléctrica.
Cuando un conductor se mueve a
Cuando un conductor se mueve a
través de líneas de flujo, las fuerzas
través de líneas de flujo, las fuerzas
magnéticas sobre los electrones
magnéticas sobre los electrones
inducen
inducen una corriente eléctrica.
una corriente eléctrica.
La
La regla de la mano derecha
regla de la mano derecha
muestra corriente hacia afuera para
muestra corriente hacia afuera para
movimiento abajo y hacia adentro
movimiento abajo y hacia adentro
para movimiento arriba. (Verificar.)
para movimiento arriba. (Verificar.)
La
La regla de la mano derecha
regla de la mano derecha
muestra corriente hacia afuera para
muestra corriente hacia afuera para
movimiento abajo y hacia adentro
movimiento abajo y hacia adentro
para movimiento arriba. (Verificar.)
para movimiento arriba. (Verificar.)
Abajo I
I
Abajo
v
v
B
F
F
Arriba
v
v
B
F
F
Arriba
I
I
B
FEM inducida: Observaciones
FEM inducida: Observaciones
B Líneas de flujo Φ en Wb
N vueltas; velocidad v
Ley de Faraday:
Observaciones de Faraday:
Observaciones de Faraday:
• El movimiento relativo induce
El movimiento relativo induce
fem.
fem.
• La dirección de fem depende de
La dirección de fem depende de
la dirección del movimiento.
la dirección del movimiento.
• La fem es proporcional a la tasa
La fem es proporcional a la tasa
a que se cortan las líneas (
a que se cortan las líneas (v).
v).
• La fem es proporcional al
La fem es proporcional al
número de vueltas
número de vueltas N
N.
.
-N
t
∆Φ
∆
E =
El signo
El signo negativo
negativo significa que
significa que E
E se opone
se opone a su causa.
a su causa.
Densidad de flujo magnético
Densidad de flujo magnético
∆φ
Densidad de
flujo magnético:
∆A
B
A
Φ
=
• Las líneas de flujo
Las líneas de flujo
magnético
magnético Φ
Φ son
son
continuas y
continuas y
cerradas.
cerradas.
• La dirección es la
La dirección es la
del vector
del vector B
B en
en
cualquier punto.
cualquier punto.
; =
B BA
A
Φ
= Φ
Cuando el área A es
perpendicular al flujo:
Cuando el área A es
perpendicular al flujo:
La unidad de densidad de flujo es el
La unidad de densidad de flujo es el
weber por metro cuadrado
weber por metro cuadrado.
.
Cálculo de flujo cuando el área
Cálculo de flujo cuando el área
no es perpendicular al campo
no es perpendicular al campo
El flujo que penetra al
El flujo que penetra al
área
área A
A cuando el vector
cuando el vector
normal
normal n
n forma un ángulo
forma un ángulo
θ
θ con el
con el campo B
campo B es:
es:
cos
BA θ
Φ =
El ángulo
El ángulo θ
θ es el complemento del ángulo
es el complemento del ángulo α
α que el
que el
plano del área forma con el campo
plano del área forma con el campo B
B. (
. (cos
cos θ
θ = sen
= sen α
α)
)
n
A θ
α
B
Ejemplo 1:
Ejemplo 1: Una espira de corriente tiene una
Una espira de corriente tiene una
área de
área de 40 cm
40 cm2
2
y se coloca en un campo B de
y se coloca en un campo B de 3
3
T
T a los ángulos dados. Encuentre el
a los ángulos dados. Encuentre el flujo
flujo Φ
Φ a
a
través de la espira en cada caso.
través de la espira en cada caso.
A
n
n
n
A = 40 cm2
(a) θ = 00 (c) θ = 600
(b) θ = 900
θ
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
(a)
(a) Φ
Φ =
= BA
BA cos 0
cos 00
0
= (3 T)(0.004 m
= (3 T)(0.004 m2
2
)(1);
)(1); Φ =
Φ = 12.0 mWb
12.0 mWb
(b)
(b) Φ
Φ =
= BA
BA cos 90
cos 900
0
= (3 T)(0.004 m
= (3 T)(0.004 m2
2
)(0);
)(0); Φ =
Φ = 0 mWb
0 mWb
(c)
(c) Φ
Φ =
= BA
BA cos 60
cos 600
0
= (3 T)(0.004 m
= (3 T)(0.004 m2
2
)(0.5);
)(0.5); Φ =
Φ = 6.00 mWb
6.00 mWb
Aplicación de la ley de Faraday
Aplicación de la ley de Faraday
Ley de Faraday:
-N
t
∆Φ
∆
E =
Al cambiar el área o el
Al cambiar el área o el
campo B puede ocurrir un
campo B puede ocurrir un
cambio en el flujo
cambio en el flujo ∆Φ
∆Φ:
:
∆Φ
∆Φ = B
= B ∆
∆A
A ∆Φ
∆Φ = A
= A ∆
∆B
B
n
n
n
Espira giratoria = B ∆A Espira en reposo = A ∆B
Ejemplo 2:
Ejemplo 2: Una bobina tiene
Una bobina tiene 200 vueltas
200 vueltas de
de 30 cm
30 cm2
2
de
de
área. Se voltea de la posición vertical a la horizontal en
área. Se voltea de la posición vertical a la horizontal en
un tiempo de
un tiempo de 0.03 s
0.03 s. ¿Cuál es la fem inducida si el
. ¿Cuál es la fem inducida si el
campo constante B es
campo constante B es 4 mT
4 mT?
?
S
N
n
n
θ
θ
B
N = 200 vueltas
B = 4 mT; 00
a 900
∆
∆A = 30 cm
A = 30 cm2
2
– 0 = 30 cm
– 0 = 30 cm2
2
∆Φ
∆Φ = B
= B ∆
∆A = (3 mT)(30 cm
A = (3 mT)(30 cm2
2
)
)
∆Φ
∆Φ = (0.004 T)(0.0030 m
= (0.004 T)(0.0030 m2
2
)
)
∆Φ
∆Φ = 1.2 x 10
= 1.2 x 10-5
-5
Wb
Wb
-5
1.2 x 10 Wb
(200)
0.03 s
N
t
∆Φ
= − = −
∆
E E = -0.080 V
E = -0.080 V
El signo negativo indica la polaridad del voltaje.
El signo negativo indica la polaridad del voltaje.
Ley de Lenz
Ley de Lenz
Ley de Lenz:
Ley de Lenz: Una corriente inducida estará en una
Una corriente inducida estará en una
dirección tal que producirá un campo magnético que se
dirección tal que producirá un campo magnético que se
opondrá
opondrá al movimiento del campo magnético que lo
al movimiento del campo magnético que lo
produce.
produce.
Ley de Lenz:
Ley de Lenz: Una corriente inducida estará en una
Una corriente inducida estará en una
dirección tal que producirá un campo magnético que se
dirección tal que producirá un campo magnético que se
opondrá
opondrá al movimiento del campo magnético que lo
al movimiento del campo magnético que lo
produce.
produce.
El flujo que disminuye por movimiento
a la derecha induce flujo a la izquierda
en la espira.
N S
Movimiento a
la izquierda
I
I
B inducido
El flujo que aumenta a la izquierda
induce flujo a la derecha en la espira.
N S
Movimiento a la
derecha
I
I
B inducido
Ejemplo 3:
Ejemplo 3: Use la
Use la ley de Lenz
ley de Lenz para determinar la
para determinar la
dirección de la corriente inducida a través de
dirección de la corriente inducida a través de R
R si se
si se
cierra el interruptor del circuito siguiente (
cierra el interruptor del circuito siguiente (B
B
creciente
creciente).
).
R
Interruptor cerrado. ¿Cuál es la
dirección de la corriente inducida?
La corriente que se eleva en el circuito de la derecha hace que
La corriente que se eleva en el circuito de la derecha hace que
el flujo
el flujo aumente a la izquierda
aumente a la izquierda, lo que induce corriente en el
, lo que induce corriente en el
circuito de la izquierda que debe producir un campo hacia la
circuito de la izquierda que debe producir un campo hacia la
derecha
derecha para oponerse al movimiento
para oponerse al movimiento. Por tanto, la corriente
. Por tanto, la corriente I
I
a través del resistor
a través del resistor R
R es hacia la derecha, como se muestra.
es hacia la derecha, como se muestra.
La corriente que se eleva en el circuito de la derecha hace que
La corriente que se eleva en el circuito de la derecha hace que
el flujo
el flujo aumente a la izquierda
aumente a la izquierda, lo que induce corriente en el
, lo que induce corriente en el
circuito de la izquierda que debe producir un campo hacia la
circuito de la izquierda que debe producir un campo hacia la
derecha
derecha para oponerse al movimiento
para oponerse al movimiento. Por tanto, la corriente
. Por tanto, la corriente I
I
a través del resistor
a través del resistor R
R es hacia la derecha, como se muestra.
es hacia la derecha, como se muestra.
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x x x x
x x x x x x
x x x x x x
Direcciones de
fuerzas y FEMs
Direcciones de
fuerzas y FEMs
v
L
v
I
I
x
B
B
I
v
v
fem
inducida
Al mover el alambre con
velocidad v en un campo
constante B se induce una
fem. Note la dirección de I.
Al mover el alambre con
velocidad v en un campo
constante B se induce una
fem. Note la dirección de I.
De la ley de Lenz se ve que
De la ley de Lenz se ve que
se crea un
se crea un campo inverso
campo inverso
(afuera). Este campo genera
(afuera). Este campo genera
sobre el alambre una fuerza
sobre el alambre una fuerza
hacia la izquierda que ofrece
hacia la izquierda que ofrece
resistencia
resistencia al movimiento.
al movimiento.
Use la regla de fuerza de la
Use la regla de fuerza de la
mano derecha para mostrar
mano derecha para mostrar
esto.
esto.
De la ley de Lenz se ve que
De la ley de Lenz se ve que
se crea un
se crea un campo inverso
campo inverso
(afuera). Este campo genera
(afuera). Este campo genera
sobre el alambre una fuerza
sobre el alambre una fuerza
hacia la izquierda que ofrece
hacia la izquierda que ofrece
resistencia
resistencia al movimiento.
al movimiento.
Use la regla de fuerza de la
Use la regla de fuerza de la
mano derecha para mostrar
mano derecha para mostrar
esto.
esto.
x x x
x x x
x x x
x x x
x x x
x x x
x x x
x x x
x x x
x x x
x x
x x
x
x B
I
Ley de
Lenz
v
FEM de movimiento en un alambre
FEM de movimiento en un alambre
L v
I
I
x
x x x x x x x x
x x x x x x
x x x x x x x
x x x x x x x
x x x x x x x
x x x x x x x
x x x x
B
B
F
v
v
Fuerza
Fuerza F
F sobre la carga
sobre la carga q
q en
en
un alambre:
un alambre:
F = qvB;
F = qvB; Trabajo = FL = qvBL
Trabajo = FL = qvBL
FEM:
FEM: BLv
E =
Si el alambre de longitud L se mueve
Si el alambre de longitud L se mueve
con velocidad
con velocidad v
v un ángulo
un ángulo θ
θ con
con B:
B:
fem E inducida
v sen θ
v
θ
B
q
qvBL
q
Trabajo
=
=
E
θ
sen
E BLv
=
Ejemplo 4:
Ejemplo 4: Un alambre de 0.20 m de longitud se
Un alambre de 0.20 m de longitud se
mueve con una rapidez constante de 5 m/s a 140
mueve con una rapidez constante de 5 m/s a 1400
0
con un campo
con un campo B
B de 0.4 T. ¿Cuáles son la magnitud
de 0.4 T. ¿Cuáles son la magnitud
y dirección de la fem inducida en el alambre?
y dirección de la fem inducida en el alambre?
v
θ
B
norte
sur
E
E = -0.257 V
= -0.257 V
Con la
Con la regla de la mano derecha
regla de la mano derecha, los
, los
dedos apuntan a la derecha, el pulgar
dedos apuntan a la derecha, el pulgar
a la velocidad y la palma empuja en
a la velocidad y la palma empuja en
dirección de la fem inducida, hacia el
dirección de la fem inducida, hacia el
norte
norte en el diagrama.
en el diagrama.
Con la
Con la regla de la mano derecha
regla de la mano derecha, los
, los
dedos apuntan a la derecha, el pulgar
dedos apuntan a la derecha, el pulgar
a la velocidad y la palma empuja en
a la velocidad y la palma empuja en
dirección de la fem inducida, hacia el
dirección de la fem inducida, hacia el
norte
norte en el diagrama.
en el diagrama.
v
B
norte
sur
I
θ
sen
E BLv
=
°
= 140
sen
m/s)
m)(5
T)(0.20
(0.4
E
El generador CA
El generador CA
Espira que gira en el campo B
• Al girar una espira en un
Al girar una espira en un
campo
campo B
B constante se produce
constante se produce
una
una corriente
corriente alterna
alterna CA
CA.
.
• La corriente a la
La corriente a la izquierda
izquierda es
es
hacia afuera
hacia afuera,
, por la regla de la
por la regla de la
mano derecha.
mano derecha.
• El segmento
El segmento derecho
derecho tiene
tiene
una corriente
una corriente hacia adentro
hacia adentro.
.
• Cuando la espira está
Cuando la espira está vertical
vertical,
,
la corriente es
la corriente es cero
cero.
.
v
v
B
I
I
v
v
B
I
I
I
I en
en R
R es derecha, cero, izquierda y luego cero conforme
es derecha, cero, izquierda y luego cero conforme
gira la espira.
gira la espira.
El generador CA
El generador CA
Operación de un generador CA
Operación de un generador CA
I=0
I=0
Cálculo de FEM inducida
Cálculo de FEM inducida
a
b
n
B
Área A = ab
x
x
.
. n
v
B
θ
θ
b/2
Cada segmento
Cada segmento
a
a tiene velocidad
tiene velocidad
constante
constante v
v.
.
Espira rectangular
Espira rectangular
a x b
a x b
x
x
n
v
B
θ
θ
r = b/2
v sen θ
v = ωr
Ambos
Ambos segmentos
segmentos a
a que se mueven con
que se mueven con
v
v a un ángulo
a un ángulo θ
θ con
con B
B producen fem:
producen fem:
( )
2
b
v r
ω ω
= =
;
senθ
Bav
=
E
θ
sen
)
2
(
2 b
Ba
T ω
=
E
θ
sen
ω
BA
T =
E
Corriente sinusoidal de generador
Corriente sinusoidal de generador
La fem varía sinusoidalmente con fem máx y mín
+E
-E
Para
Para N
N vueltas, la fem es:
vueltas, la fem es:
x
x
.
.
x
x
.
.
θ
sen
ω
NBA
=
E
Ejemplo 5:
Ejemplo 5: Un generador CA tiene
Un generador CA tiene 12 vueltas
12 vueltas de
de
alambre de
alambre de 0.08 m
0.08 m2
2
de área. La espira gira en
de área. La espira gira en
un campo magnético de
un campo magnético de 0.3 T
0.3 T a una frecuencia
a una frecuencia
de
de 60 Hz
60 Hz. Encuentre la máxima fem inducida.
. Encuentre la máxima fem inducida.
x
x
.
. n
B
θ
f = 60 Hz
ω
ω = 2
= 2π
πf =
f = 2
2π
π(60
(60 Hz) = 377 rad/s
Hz) = 377 rad/s
2
max (12)(0.3 T)(.08 m )(377 rad/s)
E =
La fem es máxima cuando
La fem es máxima cuando θ
θ = 90
= 900
0
.
.
Por tanto, la máxima fem generada es:
Por tanto, la máxima fem generada es:
Emax = 109 V
Si se conoce la resistencia, entonces se puede aplicar la
Si se conoce la resistencia, entonces se puede aplicar la ley
ley
de Ohm
de Ohm (
(V = IR
V = IR)
) para encontrar la máxima corriente inducida.
para encontrar la máxima corriente inducida.
Si se conoce la resistencia, entonces se puede aplicar la
Si se conoce la resistencia, entonces se puede aplicar la ley
ley
de Ohm
de Ohm (
(V = IR
V = IR)
) para encontrar la máxima corriente inducida.
para encontrar la máxima corriente inducida.
1
θ
sen
;
max =
= pues
NBAω
E
El generador CD
El generador CD
Generador CD
El simple generador CA se
El simple generador CA se
puede convertir a un
puede convertir a un
generador CD
generador CD al usar un solo
al usar un solo
conmutador de anillo partido
conmutador de anillo partido
para invertir las conexiones
para invertir las conexiones
dos veces por revolución.
dos veces por revolución.
Conmutador
Para el generador CD: La fem fluctúa en magnitud pero
siempre tiene la misma dirección (polaridad).
Para el generador CD: La fem fluctúa en magnitud pero
siempre tiene la misma dirección (polaridad).
t
t
E
E
El motor eléctrico
El motor eléctrico
En un
En un motor eléctrico
motor eléctrico simple, una espira de corriente experimenta
simple, una espira de corriente experimenta
un momento de torsión que produce movimiento rotacional. Tal
un momento de torsión que produce movimiento rotacional. Tal
movimiento induce una
movimiento induce una fuerza contraelectromotriz (fcem)
fuerza contraelectromotriz (fcem) para
para
oponerse al movimiento.
oponerse al movimiento.
En un
En un motor eléctrico
motor eléctrico simple, una espira de corriente experimenta
simple, una espira de corriente experimenta
un momento de torsión que produce movimiento rotacional. Tal
un momento de torsión que produce movimiento rotacional. Tal
movimiento induce una
movimiento induce una fuerza contraelectromotriz (fcem)
fuerza contraelectromotriz (fcem) para
para
oponerse al movimiento.
oponerse al movimiento.
Motor eléctrico
V
V – Eb = IR
V – Eb = IR
Voltaje aplicado – fuerza
Voltaje aplicado – fuerza
contraelectromotriz = voltaje neto
contraelectromotriz = voltaje neto
Puesto que la fuerza
Puesto que la fuerza
contraelectromotriz
contraelectromotriz E
Eb
b aumenta con la
aumenta con la
frecuencia rotacional
frecuencia rotacional, la corriente de
, la corriente de
arranque es alta y la corriente
arranque es alta y la corriente
operativa es baja:
operativa es baja: E
Eb
b = NBA
= NBAω
ω sen
sen θ
θ
Puesto que la fuerza
Puesto que la fuerza
contraelectromotriz
contraelectromotriz E
Eb
b aumenta con la
aumenta con la
frecuencia rotacional
frecuencia rotacional, la corriente de
, la corriente de
arranque es alta y la corriente
arranque es alta y la corriente
operativa es baja:
operativa es baja: E
Eb
b = NBA
= NBAω
ω sen
sen θ
θ
Eb
I
I
Armadura y devanados de campo
Armadura y devanados de campo
En el motor comercial,
muchas bobinas de alambre
alrededor de la armadura
producirán un suave momento
de torsión. (Note las
direcciones de I en los
alambres.)
Motor con devanado en
serie: El alambrado de
campo y la armadura se
conectan en serie.
Motor
Motor
Motor devanado en derivación: Los devanados de
campo y los de la armadura se conectan en
paralelo.
Ejemplo 6:
Ejemplo 6: Un motor CD devanado en serie
Un motor CD devanado en serie
tiene una resistencia interna de
tiene una resistencia interna de 3
3 Ω
Ω. La línea
. La línea
de suministro de
de suministro de 120 V
120 V extrae
extrae 4 A
4 A cuando está
cuando está
a toda rapidez. ¿Cuál es la fem en el motor y
a toda rapidez. ¿Cuál es la fem en el motor y
la corriente de arranque?
la corriente de arranque?
V
Eb
I
I
V – Eb = IR
V – Eb = IR
Recuerde que:
Recuerde que:
120 V –
120 V – E
Eb
b = (4 A)(3
= (4 A)(3 Ω)
Ω)
Eb = 108 V
Fuerza
Fuerza
contraelectromotriz en
contraelectromotriz en
motor:
motor:
La corriente de arranque I
La corriente de arranque Is
s se encuentra al notar que
se encuentra al notar que
E
Eb
b = 0 al comienzo (la armadura todavía no rota).
= 0 al comienzo (la armadura todavía no rota).
120 V – 0 =
120 V – 0 = I
Is
s (3
(3 Ω)
Ω) Is = 40 A
Resumen
Resumen
Ley de Faraday:
-N
t
∆Φ
∆
E =
Al cambiar el área o el
Al cambiar el área o el
campo B, puede ocurrir un
campo B, puede ocurrir un
cambio en el flujo
cambio en el flujo ∆Φ
∆Φ:
:
∆Φ
∆Φ = B
= B ∆
∆A
A ∆Φ
∆Φ = A
= A ∆
∆B
B
cos
BA θ
Φ =
; =
B BA
A
Φ
= Φ
Cálculo de flujo a través de un área en un campo B:
Cálculo de flujo a través de un área en un campo B:
Resumen (Cont.)
Resumen (Cont.)
Ley de Lenz:
Ley de Lenz: Una corriente inducida estará en una
Una corriente inducida estará en una
dirección tal que producirá un campo magnético que se
dirección tal que producirá un campo magnético que se
opondrá
opondrá al movimiento del campo magnético que lo
al movimiento del campo magnético que lo
produce.
produce.
Ley de Lenz:
Ley de Lenz: Una corriente inducida estará en una
Una corriente inducida estará en una
dirección tal que producirá un campo magnético que se
dirección tal que producirá un campo magnético que se
opondrá
opondrá al movimiento del campo magnético que lo
al movimiento del campo magnético que lo
produce.
produce.
El flujo decreciente por movimiento a
la derecha induce flujo a la izquierda
en la espira.
N S
Movimiento
a izquierda
I
I
B inducido
El flujo creciente a la izquierda induce
flujo a la derecha en la espira.
N S
Movimiento a
derecha
I
I
B inducido
Resumen (Cont.)
Resumen (Cont.)
fem inducida E
v sen θ
v
θ
B
Un alambre que se mueve con
velocidad v a un ángulo θ con un
campo B, induce una fem.
En general, para una bobina de N vueltas de
área A que rotan con una frecuencia en un
campo B, la fem generada está dada por la
siguiente relación:
En general, para una bobina de N vueltas de
área A que rotan con una frecuencia en un
campo B, la fem generada está dada por la
siguiente relación:
θ
sen
BLv
=
E
Para
Para N
N vueltas, la EMF es:
vueltas, la EMF es: θ
sen
ω
NBA
=
E
Resumen (Cont.)
Resumen (Cont.)
Generador CD Motor eléctrico
V
A la derecha se muestra
A la derecha se muestra
el generador CA. Abajo
el generador CA. Abajo
se muestran el
se muestran el
generador CD y un
generador CD y un
motor CD:
motor CD:
A la derecha se muestra
A la derecha se muestra
el generador CA. Abajo
el generador CA. Abajo
se muestran el
se muestran el
generador CD y un
generador CD y un
motor CD:
motor CD:
Resumen (Cont.)
Resumen (Cont.)
V – Eb = IR
V – Eb = IR
Voltaje aplicado – fuerza
Voltaje aplicado – fuerza
contraelectromotriz = voltaje neto
contraelectromotriz = voltaje neto
El rotor genera una fuerza
El rotor genera una fuerza
contraelectromotriz en la
contraelectromotriz en la
operación de un motor que
operación de un motor que
reduce el voltaje aplicado.
reduce el voltaje aplicado.
Existe la siguiente relación:
Existe la siguiente relación:
El rotor genera una fuerza
El rotor genera una fuerza
contraelectromotriz en la
contraelectromotriz en la
operación de un motor que
operación de un motor que
reduce el voltaje aplicado.
reduce el voltaje aplicado.
Existe la siguiente relación:
Existe la siguiente relación:
Motor
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  • 1. Capítulo 31A Capítulo 31A Inducción electromagnética Inducción electromagnética Presentación PowerPoint de Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de Física Paul E. Tippens, Profesor de Física Southern Polytechnic State University Southern Polytechnic State University © 2007
  • 2. Objetivos: Objetivos: Después de completar Después de completar este módulo deberá: este módulo deberá: • Calcular la Calcular la magnitud magnitud y y dirección dirección de la de la corriente inducida o fem corriente inducida o fem en un conductor que en un conductor que se mueve con respecto a un se mueve con respecto a un campo B campo B dado. dado. • Calcular el Calcular el flujo magnético flujo magnético a través de una a través de una área en un área en un campo B campo B dado. dado. • Aplicar la Aplicar la ley de Lenz ley de Lenz y la y la regla de la mano regla de la mano derecha derecha para determinar direcciones de fem para determinar direcciones de fem inducida. inducida. • Describir la operación y uso de los Describir la operación y uso de los generadores generadores o o motores motores ca y cd. ca y cd.
  • 3. Corriente inducida Corriente inducida Cuando un conductor se mueve a Cuando un conductor se mueve a través de líneas de flujo, las fuerzas través de líneas de flujo, las fuerzas magnéticas sobre los electrones magnéticas sobre los electrones inducen inducen una corriente eléctrica. una corriente eléctrica. Cuando un conductor se mueve a Cuando un conductor se mueve a través de líneas de flujo, las fuerzas través de líneas de flujo, las fuerzas magnéticas sobre los electrones magnéticas sobre los electrones inducen inducen una corriente eléctrica. una corriente eléctrica. La La regla de la mano derecha regla de la mano derecha muestra corriente hacia afuera para muestra corriente hacia afuera para movimiento abajo y hacia adentro movimiento abajo y hacia adentro para movimiento arriba. (Verificar.) para movimiento arriba. (Verificar.) La La regla de la mano derecha regla de la mano derecha muestra corriente hacia afuera para muestra corriente hacia afuera para movimiento abajo y hacia adentro movimiento abajo y hacia adentro para movimiento arriba. (Verificar.) para movimiento arriba. (Verificar.) Abajo I I Abajo v v B F F Arriba v v B F F Arriba I I B
  • 4. FEM inducida: Observaciones FEM inducida: Observaciones B Líneas de flujo Φ en Wb N vueltas; velocidad v Ley de Faraday: Observaciones de Faraday: Observaciones de Faraday: • El movimiento relativo induce El movimiento relativo induce fem. fem. • La dirección de fem depende de La dirección de fem depende de la dirección del movimiento. la dirección del movimiento. • La fem es proporcional a la tasa La fem es proporcional a la tasa a que se cortan las líneas ( a que se cortan las líneas (v). v). • La fem es proporcional al La fem es proporcional al número de vueltas número de vueltas N N. . -N t ∆Φ ∆ E = El signo El signo negativo negativo significa que significa que E E se opone se opone a su causa. a su causa.
  • 5. Densidad de flujo magnético Densidad de flujo magnético ∆φ Densidad de flujo magnético: ∆A B A Φ = • Las líneas de flujo Las líneas de flujo magnético magnético Φ Φ son son continuas y continuas y cerradas. cerradas. • La dirección es la La dirección es la del vector del vector B B en en cualquier punto. cualquier punto. ; = B BA A Φ = Φ Cuando el área A es perpendicular al flujo: Cuando el área A es perpendicular al flujo: La unidad de densidad de flujo es el La unidad de densidad de flujo es el weber por metro cuadrado weber por metro cuadrado. .
  • 6. Cálculo de flujo cuando el área Cálculo de flujo cuando el área no es perpendicular al campo no es perpendicular al campo El flujo que penetra al El flujo que penetra al área área A A cuando el vector cuando el vector normal normal n n forma un ángulo forma un ángulo θ θ con el con el campo B campo B es: es: cos BA θ Φ = El ángulo El ángulo θ θ es el complemento del ángulo es el complemento del ángulo α α que el que el plano del área forma con el campo plano del área forma con el campo B B. ( . (cos cos θ θ = sen = sen α α) ) n A θ α B
  • 7. Ejemplo 1: Ejemplo 1: Una espira de corriente tiene una Una espira de corriente tiene una área de área de 40 cm 40 cm2 2 y se coloca en un campo B de y se coloca en un campo B de 3 3 T T a los ángulos dados. Encuentre el a los ángulos dados. Encuentre el flujo flujo Φ Φ a a través de la espira en cada caso. través de la espira en cada caso. A n n n A = 40 cm2 (a) θ = 00 (c) θ = 600 (b) θ = 900 θ x x x x x x x x x x x x x x x x (a) (a) Φ Φ = = BA BA cos 0 cos 00 0 = (3 T)(0.004 m = (3 T)(0.004 m2 2 )(1); )(1); Φ = Φ = 12.0 mWb 12.0 mWb (b) (b) Φ Φ = = BA BA cos 90 cos 900 0 = (3 T)(0.004 m = (3 T)(0.004 m2 2 )(0); )(0); Φ = Φ = 0 mWb 0 mWb (c) (c) Φ Φ = = BA BA cos 60 cos 600 0 = (3 T)(0.004 m = (3 T)(0.004 m2 2 )(0.5); )(0.5); Φ = Φ = 6.00 mWb 6.00 mWb
  • 8. Aplicación de la ley de Faraday Aplicación de la ley de Faraday Ley de Faraday: -N t ∆Φ ∆ E = Al cambiar el área o el Al cambiar el área o el campo B puede ocurrir un campo B puede ocurrir un cambio en el flujo cambio en el flujo ∆Φ ∆Φ: : ∆Φ ∆Φ = B = B ∆ ∆A A ∆Φ ∆Φ = A = A ∆ ∆B B n n n Espira giratoria = B ∆A Espira en reposo = A ∆B
  • 9. Ejemplo 2: Ejemplo 2: Una bobina tiene Una bobina tiene 200 vueltas 200 vueltas de de 30 cm 30 cm2 2 de de área. Se voltea de la posición vertical a la horizontal en área. Se voltea de la posición vertical a la horizontal en un tiempo de un tiempo de 0.03 s 0.03 s. ¿Cuál es la fem inducida si el . ¿Cuál es la fem inducida si el campo constante B es campo constante B es 4 mT 4 mT? ? S N n n θ θ B N = 200 vueltas B = 4 mT; 00 a 900 ∆ ∆A = 30 cm A = 30 cm2 2 – 0 = 30 cm – 0 = 30 cm2 2 ∆Φ ∆Φ = B = B ∆ ∆A = (3 mT)(30 cm A = (3 mT)(30 cm2 2 ) ) ∆Φ ∆Φ = (0.004 T)(0.0030 m = (0.004 T)(0.0030 m2 2 ) ) ∆Φ ∆Φ = 1.2 x 10 = 1.2 x 10-5 -5 Wb Wb -5 1.2 x 10 Wb (200) 0.03 s N t ∆Φ = − = − ∆ E E = -0.080 V E = -0.080 V El signo negativo indica la polaridad del voltaje. El signo negativo indica la polaridad del voltaje.
  • 10. Ley de Lenz Ley de Lenz Ley de Lenz: Ley de Lenz: Una corriente inducida estará en una Una corriente inducida estará en una dirección tal que producirá un campo magnético que se dirección tal que producirá un campo magnético que se opondrá opondrá al movimiento del campo magnético que lo al movimiento del campo magnético que lo produce. produce. Ley de Lenz: Ley de Lenz: Una corriente inducida estará en una Una corriente inducida estará en una dirección tal que producirá un campo magnético que se dirección tal que producirá un campo magnético que se opondrá opondrá al movimiento del campo magnético que lo al movimiento del campo magnético que lo produce. produce. El flujo que disminuye por movimiento a la derecha induce flujo a la izquierda en la espira. N S Movimiento a la izquierda I I B inducido El flujo que aumenta a la izquierda induce flujo a la derecha en la espira. N S Movimiento a la derecha I I B inducido
  • 11. Ejemplo 3: Ejemplo 3: Use la Use la ley de Lenz ley de Lenz para determinar la para determinar la dirección de la corriente inducida a través de dirección de la corriente inducida a través de R R si se si se cierra el interruptor del circuito siguiente ( cierra el interruptor del circuito siguiente (B B creciente creciente). ). R Interruptor cerrado. ¿Cuál es la dirección de la corriente inducida? La corriente que se eleva en el circuito de la derecha hace que La corriente que se eleva en el circuito de la derecha hace que el flujo el flujo aumente a la izquierda aumente a la izquierda, lo que induce corriente en el , lo que induce corriente en el circuito de la izquierda que debe producir un campo hacia la circuito de la izquierda que debe producir un campo hacia la derecha derecha para oponerse al movimiento para oponerse al movimiento. Por tanto, la corriente . Por tanto, la corriente I I a través del resistor a través del resistor R R es hacia la derecha, como se muestra. es hacia la derecha, como se muestra. La corriente que se eleva en el circuito de la derecha hace que La corriente que se eleva en el circuito de la derecha hace que el flujo el flujo aumente a la izquierda aumente a la izquierda, lo que induce corriente en el , lo que induce corriente en el circuito de la izquierda que debe producir un campo hacia la circuito de la izquierda que debe producir un campo hacia la derecha derecha para oponerse al movimiento para oponerse al movimiento. Por tanto, la corriente . Por tanto, la corriente I I a través del resistor a través del resistor R R es hacia la derecha, como se muestra. es hacia la derecha, como se muestra.
  • 12. x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Direcciones de fuerzas y FEMs Direcciones de fuerzas y FEMs v L v I I x B B I v v fem inducida Al mover el alambre con velocidad v en un campo constante B se induce una fem. Note la dirección de I. Al mover el alambre con velocidad v en un campo constante B se induce una fem. Note la dirección de I. De la ley de Lenz se ve que De la ley de Lenz se ve que se crea un se crea un campo inverso campo inverso (afuera). Este campo genera (afuera). Este campo genera sobre el alambre una fuerza sobre el alambre una fuerza hacia la izquierda que ofrece hacia la izquierda que ofrece resistencia resistencia al movimiento. al movimiento. Use la regla de fuerza de la Use la regla de fuerza de la mano derecha para mostrar mano derecha para mostrar esto. esto. De la ley de Lenz se ve que De la ley de Lenz se ve que se crea un se crea un campo inverso campo inverso (afuera). Este campo genera (afuera). Este campo genera sobre el alambre una fuerza sobre el alambre una fuerza hacia la izquierda que ofrece hacia la izquierda que ofrece resistencia resistencia al movimiento. al movimiento. Use la regla de fuerza de la Use la regla de fuerza de la mano derecha para mostrar mano derecha para mostrar esto. esto. x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x B I Ley de Lenz v
  • 13. FEM de movimiento en un alambre FEM de movimiento en un alambre L v I I x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x B B F v v Fuerza Fuerza F F sobre la carga sobre la carga q q en en un alambre: un alambre: F = qvB; F = qvB; Trabajo = FL = qvBL Trabajo = FL = qvBL FEM: FEM: BLv E = Si el alambre de longitud L se mueve Si el alambre de longitud L se mueve con velocidad con velocidad v v un ángulo un ángulo θ θ con con B: B: fem E inducida v sen θ v θ B q qvBL q Trabajo = = E θ sen E BLv =
  • 14. Ejemplo 4: Ejemplo 4: Un alambre de 0.20 m de longitud se Un alambre de 0.20 m de longitud se mueve con una rapidez constante de 5 m/s a 140 mueve con una rapidez constante de 5 m/s a 1400 0 con un campo con un campo B B de 0.4 T. ¿Cuáles son la magnitud de 0.4 T. ¿Cuáles son la magnitud y dirección de la fem inducida en el alambre? y dirección de la fem inducida en el alambre? v θ B norte sur E E = -0.257 V = -0.257 V Con la Con la regla de la mano derecha regla de la mano derecha, los , los dedos apuntan a la derecha, el pulgar dedos apuntan a la derecha, el pulgar a la velocidad y la palma empuja en a la velocidad y la palma empuja en dirección de la fem inducida, hacia el dirección de la fem inducida, hacia el norte norte en el diagrama. en el diagrama. Con la Con la regla de la mano derecha regla de la mano derecha, los , los dedos apuntan a la derecha, el pulgar dedos apuntan a la derecha, el pulgar a la velocidad y la palma empuja en a la velocidad y la palma empuja en dirección de la fem inducida, hacia el dirección de la fem inducida, hacia el norte norte en el diagrama. en el diagrama. v B norte sur I θ sen E BLv = ° = 140 sen m/s) m)(5 T)(0.20 (0.4 E
  • 15. El generador CA El generador CA Espira que gira en el campo B • Al girar una espira en un Al girar una espira en un campo campo B B constante se produce constante se produce una una corriente corriente alterna alterna CA CA. . • La corriente a la La corriente a la izquierda izquierda es es hacia afuera hacia afuera, , por la regla de la por la regla de la mano derecha. mano derecha. • El segmento El segmento derecho derecho tiene tiene una corriente una corriente hacia adentro hacia adentro. . • Cuando la espira está Cuando la espira está vertical vertical, , la corriente es la corriente es cero cero. . v v B I I v v B I I I I en en R R es derecha, cero, izquierda y luego cero conforme es derecha, cero, izquierda y luego cero conforme gira la espira. gira la espira. El generador CA El generador CA
  • 16. Operación de un generador CA Operación de un generador CA I=0 I=0
  • 17. Cálculo de FEM inducida Cálculo de FEM inducida a b n B Área A = ab x x . . n v B θ θ b/2 Cada segmento Cada segmento a a tiene velocidad tiene velocidad constante constante v v. . Espira rectangular Espira rectangular a x b a x b x x n v B θ θ r = b/2 v sen θ v = ωr Ambos Ambos segmentos segmentos a a que se mueven con que se mueven con v v a un ángulo a un ángulo θ θ con con B B producen fem: producen fem: ( ) 2 b v r ω ω = = ; senθ Bav = E θ sen ) 2 ( 2 b Ba T ω = E θ sen ω BA T = E
  • 18. Corriente sinusoidal de generador Corriente sinusoidal de generador La fem varía sinusoidalmente con fem máx y mín +E -E Para Para N N vueltas, la fem es: vueltas, la fem es: x x . . x x . . θ sen ω NBA = E
  • 19. Ejemplo 5: Ejemplo 5: Un generador CA tiene Un generador CA tiene 12 vueltas 12 vueltas de de alambre de alambre de 0.08 m 0.08 m2 2 de área. La espira gira en de área. La espira gira en un campo magnético de un campo magnético de 0.3 T 0.3 T a una frecuencia a una frecuencia de de 60 Hz 60 Hz. Encuentre la máxima fem inducida. . Encuentre la máxima fem inducida. x x . . n B θ f = 60 Hz ω ω = 2 = 2π πf = f = 2 2π π(60 (60 Hz) = 377 rad/s Hz) = 377 rad/s 2 max (12)(0.3 T)(.08 m )(377 rad/s) E = La fem es máxima cuando La fem es máxima cuando θ θ = 90 = 900 0 . . Por tanto, la máxima fem generada es: Por tanto, la máxima fem generada es: Emax = 109 V Si se conoce la resistencia, entonces se puede aplicar la Si se conoce la resistencia, entonces se puede aplicar la ley ley de Ohm de Ohm ( (V = IR V = IR) ) para encontrar la máxima corriente inducida. para encontrar la máxima corriente inducida. Si se conoce la resistencia, entonces se puede aplicar la Si se conoce la resistencia, entonces se puede aplicar la ley ley de Ohm de Ohm ( (V = IR V = IR) ) para encontrar la máxima corriente inducida. para encontrar la máxima corriente inducida. 1 θ sen ; max = = pues NBAω E
  • 20. El generador CD El generador CD Generador CD El simple generador CA se El simple generador CA se puede convertir a un puede convertir a un generador CD generador CD al usar un solo al usar un solo conmutador de anillo partido conmutador de anillo partido para invertir las conexiones para invertir las conexiones dos veces por revolución. dos veces por revolución. Conmutador Para el generador CD: La fem fluctúa en magnitud pero siempre tiene la misma dirección (polaridad). Para el generador CD: La fem fluctúa en magnitud pero siempre tiene la misma dirección (polaridad). t t E E
  • 21. El motor eléctrico El motor eléctrico En un En un motor eléctrico motor eléctrico simple, una espira de corriente experimenta simple, una espira de corriente experimenta un momento de torsión que produce movimiento rotacional. Tal un momento de torsión que produce movimiento rotacional. Tal movimiento induce una movimiento induce una fuerza contraelectromotriz (fcem) fuerza contraelectromotriz (fcem) para para oponerse al movimiento. oponerse al movimiento. En un En un motor eléctrico motor eléctrico simple, una espira de corriente experimenta simple, una espira de corriente experimenta un momento de torsión que produce movimiento rotacional. Tal un momento de torsión que produce movimiento rotacional. Tal movimiento induce una movimiento induce una fuerza contraelectromotriz (fcem) fuerza contraelectromotriz (fcem) para para oponerse al movimiento. oponerse al movimiento. Motor eléctrico V V – Eb = IR V – Eb = IR Voltaje aplicado – fuerza Voltaje aplicado – fuerza contraelectromotriz = voltaje neto contraelectromotriz = voltaje neto Puesto que la fuerza Puesto que la fuerza contraelectromotriz contraelectromotriz E Eb b aumenta con la aumenta con la frecuencia rotacional frecuencia rotacional, la corriente de , la corriente de arranque es alta y la corriente arranque es alta y la corriente operativa es baja: operativa es baja: E Eb b = NBA = NBAω ω sen sen θ θ Puesto que la fuerza Puesto que la fuerza contraelectromotriz contraelectromotriz E Eb b aumenta con la aumenta con la frecuencia rotacional frecuencia rotacional, la corriente de , la corriente de arranque es alta y la corriente arranque es alta y la corriente operativa es baja: operativa es baja: E Eb b = NBA = NBAω ω sen sen θ θ Eb I I
  • 22. Armadura y devanados de campo Armadura y devanados de campo En el motor comercial, muchas bobinas de alambre alrededor de la armadura producirán un suave momento de torsión. (Note las direcciones de I en los alambres.) Motor con devanado en serie: El alambrado de campo y la armadura se conectan en serie. Motor Motor Motor devanado en derivación: Los devanados de campo y los de la armadura se conectan en paralelo.
  • 23. Ejemplo 6: Ejemplo 6: Un motor CD devanado en serie Un motor CD devanado en serie tiene una resistencia interna de tiene una resistencia interna de 3 3 Ω Ω. La línea . La línea de suministro de de suministro de 120 V 120 V extrae extrae 4 A 4 A cuando está cuando está a toda rapidez. ¿Cuál es la fem en el motor y a toda rapidez. ¿Cuál es la fem en el motor y la corriente de arranque? la corriente de arranque? V Eb I I V – Eb = IR V – Eb = IR Recuerde que: Recuerde que: 120 V – 120 V – E Eb b = (4 A)(3 = (4 A)(3 Ω) Ω) Eb = 108 V Fuerza Fuerza contraelectromotriz en contraelectromotriz en motor: motor: La corriente de arranque I La corriente de arranque Is s se encuentra al notar que se encuentra al notar que E Eb b = 0 al comienzo (la armadura todavía no rota). = 0 al comienzo (la armadura todavía no rota). 120 V – 0 = 120 V – 0 = I Is s (3 (3 Ω) Ω) Is = 40 A
  • 24. Resumen Resumen Ley de Faraday: -N t ∆Φ ∆ E = Al cambiar el área o el Al cambiar el área o el campo B, puede ocurrir un campo B, puede ocurrir un cambio en el flujo cambio en el flujo ∆Φ ∆Φ: : ∆Φ ∆Φ = B = B ∆ ∆A A ∆Φ ∆Φ = A = A ∆ ∆B B cos BA θ Φ = ; = B BA A Φ = Φ Cálculo de flujo a través de un área en un campo B: Cálculo de flujo a través de un área en un campo B:
  • 25. Resumen (Cont.) Resumen (Cont.) Ley de Lenz: Ley de Lenz: Una corriente inducida estará en una Una corriente inducida estará en una dirección tal que producirá un campo magnético que se dirección tal que producirá un campo magnético que se opondrá opondrá al movimiento del campo magnético que lo al movimiento del campo magnético que lo produce. produce. Ley de Lenz: Ley de Lenz: Una corriente inducida estará en una Una corriente inducida estará en una dirección tal que producirá un campo magnético que se dirección tal que producirá un campo magnético que se opondrá opondrá al movimiento del campo magnético que lo al movimiento del campo magnético que lo produce. produce. El flujo decreciente por movimiento a la derecha induce flujo a la izquierda en la espira. N S Movimiento a izquierda I I B inducido El flujo creciente a la izquierda induce flujo a la derecha en la espira. N S Movimiento a derecha I I B inducido
  • 26. Resumen (Cont.) Resumen (Cont.) fem inducida E v sen θ v θ B Un alambre que se mueve con velocidad v a un ángulo θ con un campo B, induce una fem. En general, para una bobina de N vueltas de área A que rotan con una frecuencia en un campo B, la fem generada está dada por la siguiente relación: En general, para una bobina de N vueltas de área A que rotan con una frecuencia en un campo B, la fem generada está dada por la siguiente relación: θ sen BLv = E Para Para N N vueltas, la EMF es: vueltas, la EMF es: θ sen ω NBA = E
  • 27. Resumen (Cont.) Resumen (Cont.) Generador CD Motor eléctrico V A la derecha se muestra A la derecha se muestra el generador CA. Abajo el generador CA. Abajo se muestran el se muestran el generador CD y un generador CD y un motor CD: motor CD: A la derecha se muestra A la derecha se muestra el generador CA. Abajo el generador CA. Abajo se muestran el se muestran el generador CD y un generador CD y un motor CD: motor CD:
  • 28. Resumen (Cont.) Resumen (Cont.) V – Eb = IR V – Eb = IR Voltaje aplicado – fuerza Voltaje aplicado – fuerza contraelectromotriz = voltaje neto contraelectromotriz = voltaje neto El rotor genera una fuerza El rotor genera una fuerza contraelectromotriz en la contraelectromotriz en la operación de un motor que operación de un motor que reduce el voltaje aplicado. reduce el voltaje aplicado. Existe la siguiente relación: Existe la siguiente relación: El rotor genera una fuerza El rotor genera una fuerza contraelectromotriz en la contraelectromotriz en la operación de un motor que operación de un motor que reduce el voltaje aplicado. reduce el voltaje aplicado. Existe la siguiente relación: Existe la siguiente relación: Motor Motor
  • 29. CONCLUSIÓN: Capítulo 31A CONCLUSIÓN: Capítulo 31A Inducción electromagnética Inducción electromagnética