Indución electromagnética

Transcript

1 Indución electromagnética 1 Indución electromagnética 1. EXPERIECIA DE FARADAY E HERY. A experiencia de Oersted (1820) demostrou que unha corrente eléctrica crea ao seu redor un campo magnético. Como consecuencia deste resultado, moitos físicos da época intentaron acadar o fenómeno contrario, é dicir, xerar (ou inducir) unha corrente eléctrica a partir dun campo magnético. Michael Faraday logrouno no ano 1831 mediante unha serie de experimentos, algúns dos cales describiremos de seguido: A. UHA EPIRA E PREECIA DU IMÁ. upoñamos unha espira unida a un galvanómetro (para poder medir o paso de corrente eléctrica). Por este circuíto, en principio, non pasa corrente eléctrica, xa que non posúe ningún xerador (Fig. 1 a). O galvanómetro marcará cero. En presencia dun imán, e estando a espira e o imán en repouso, o galvanómetro seguirá indicando valor nulo, polo tanto tampouco hai paso de corrente eléctrica a través da espira (Fig. 1 b). v = 0 I = 0 Fig. 1 a I = 0 a figura ( e outras que seguen) só debuxamos unha porción das liñas de campo, que en realidade son pechadas. Fig. 1 b e agora achegamos o imán (enfrontando o seu polo norte) á espira, o galvanómetro detectará un paso de corrente (Fig. 2). I 0 Fig. 2

2 Indución electromagnética 2 Intentemos explicar o sentido da corrente producida na espira. Cando achegamos o polo norte do imán aumenta o fluxo magnético que pasa polo interior da superficie contida na espira (penetran máis liñas de campo), e ésta intenta contrarrestar este incremento positivo de fluxo magnético creando unha cara norte que logra diminuír tal aumento. Para conseguir esa cara norte é preciso que a corrente inducida teña o sentido indicado. A corrente inducida é tanto maior canto maior sexa a velocidade do imán, xa que máis rápido variará o fluxo magnético. Antes de proseguir dicir que na formación de correntes inducidas distínguense dous elementos: a) Inducido: é o circuíto onde aparece a corrente (a espira, no caso anterior). b) Inductor: é o axente que produce o fenómeno. Tamén é preciso apuntar que a corrente inducida é producida por unha forza electromotriz (f.e.m.), que en realidade non é unha forza, senón un traballo que se fai sobre a unidade de carga. Mídese en voltios. e se para o imán o galvanómetro volve a marcar cero. A explicación é que o imán, ao estar en repouso, mantén o fluxo magnético na espira constante. É dicir, se non hai variación de fluxo non se crea corrente inducida. e agora afastamos o imán (co polo norte mirando á espira) da espira, o galvanómetro detectará un paso de corrente en sentido contrario ao que tiña cando achegamos o imán (Fig. 3). I 0 Fig. 3 Expliquemos o sentido da corrente producida na espira. Cando afastamos o polo norte do imán diminúe o fluxo magnético que pasa polo interior da superficie contida na espira (entran menos liñas de campo), e ésta contrarresta tal diminución de fluxo magnético creando unha cara sur de xeito que trata de paliar o baixón de fluxo magnético. Para conseguir esa cara sur é preciso que a corrente inducida teña o sentido indicado. e achegásemos o imán (co polo sur mirando á espira) á espira, o galvanómetro detectaría un paso de corrente no sentido indicado na figura 4. A causa reside en que achegando o polo sur van escapar máis liñas de campo (diminúe o fluxo magnético), e a espira reacciona aumentando a entrada de liñas de campo creando un polo sur. O polo sur créase xerando unha corrente na espira no sentido indicado.

3 Indución electromagnética 3 Fig. 4 I 0 B. UHA BOBIA E PREECIA DU IMÁ. e o inducido está formado por espiras e repetimos as experiencias anteriores, os efectos observados son análogos. Pero a corrente que indica o galvanómetro vai a ser máis intensa. É dicir a f.e.m. inducida é directamente proporcional ao número de espiras do inducido. C. UHA BOBIA E PREECIA DOUTRA BOBIA CO U XERADOR E CUHA REITECIA VARIABLE. O que estamos facendo é substituír un imán por un electroimán. e existe movemento relativo entre as dúas bobinas obsérvanse os mesmos efectos descritos anteriormente. Por exemplo, se o sentido da corrente da bobina 2 da figura 5 é o indicado, nesta bobina aparecerá unha cara norte no extremo que mira á bobina 1. e se acerca a bobina 2 á bobina 1 aumentará o fluxo sobre está última, co que se inducirá unha corrente no sentido indicado para crear na bobina 1 unha cara norte que diminúa tal aumento. I 1 I 2 Resistencia Variable Bobina 1 Bobina 2 Fig. 5 on é estrictamente necesario que exista un movemento relativo entre as bobinas. Tamén aparece corrente inducida na bobina 1, abrindo ou pechando o circuíto da bobina 2. A causa débese a que se, por exemplo, pechamos o circuíto da bobina 2 o campo magnético pasa de cero a ter un valor determinado, polo tanto o fluxo tamén pasa de cero a outro valor determinado. A bobina 1 reacciona opoñéndose a tal variación xerando no interior dela unha corrente inducida. e se abre o circuíto da bobina 2 tamén haberá variación de fluxo e polo tanto inducira un corrente na bobina 1.

4 Indución electromagnética 4 o mesmo ano 1831, e descoñecendo os traballos de M. Faraday, nos EE.UU. J. Henry descubría que se se movía un conductor, de lonxitude l, perpendicularmente a un campo magnético orixinábase unha diferencia de potencial nos extremos do conductor. Esta diferencia de potencial orixinaría unha corrente eléctrica se pechamos o circuíto. Invertendo o sentido do movemento do conductor, observábase un cambio no sentido da corrente. v F B B I F Fig. 6 Aplicar a regra da man esquerda v Aplicando a regra da man esquerda, o sentido convencional da corrente é o indicado polo sentido da forza. 2. FLUXO MAÉTICO Xa nos aproximamos ao concepto de fluxo, dun xeito cualitativo, no apartado anterior. O fluxo magnético, Φ, a través dunha superficie é unha medida do número de liñas de inducción que atravesan esa superficie. É unha definición análoga á feita para os casos do campo gravitatorio e eléctrico. upoñamos, para maior simplicidade, un campo magnético uniforme é unha superficie plana. O fluxo magnético vai depender do valor do campo, B, do valor da superficie atravesada,, e da orientación de esta no campo magnético. A unidade do fluxo magnético é o weber (Wb). Matematicamente é o producto escalar do vector campo magnético polo vector superficie: Φ = B r r = B cosα r α α B r Fig. 7 Advírtase que o vector superficie, r, é un vector perpendicular á superficie e de módulo igual o valor desta superficie.

5 Indución electromagnética 5 3. LEI DE LEZ. Xa comentamos, cando analizamos as experiencias de Faraday, que a corrente inducida nun circuíto é debida a variación do fluxo magnético a través do circuíto. A corrente inducida perdura mentres exista variación de fluxo. A regra para determinar o sentido da corrente inducida foi proposta por Lenz en A lei de Lenz enuncia dicindo que o sentido da corrente inducida é tal que se opón á causa que a produce. É o principio de acción e reacción do electromagnetismo. Repasemos unha das experiencias de Faraday coa lei de Lenz. Cando o polo norte do imán se achega á espira (Fig. 2), indúcese unha corrente no circuíto creando un campo magnético que produce unha forza de repulsión (na espira créase un polo norte) que se opón ao movemento do imán. Para crear o polo norte no imán é preciso que a corrente teña o sentido indicado na figura. (Para saber o sentido da corrente utiliza a regra da man dereita ou a regra da letra que se inscribe na espira). Desde outra perspectiva, o polo norte da espira serve para compensar o aumento de fluxo magnético que se orixina ao achegar o imán. 4. LEI DE FARADAY. o apartado 1, estudiamos que a corrente inducida era tanto máis intensa canto máis rápida era a variación de fluxo que atravesaba a espira. Esta afirmación condúcenos á lei de Faraday: a corrente inducida é producida por unha f.e.m., ε, inducida que é directamente proporcional a variación do fluxo: Φ ε = t O signo negativo indícanos que f.e.m. inducida se opón á variación de fluxo magnético (lei de Lenz). A lei de Faraday é unha lei cuantitativa, danos o valor da corrente inducida. A lei de Lenz é unha lei cualitativa, danos o sentido da corrente inducida.