Un trasformador consta , en esencia , de dos bobinas arrolladas a un mismo nucleo de hierro. La bobina o arrollamiento donde se aplica la fem recibe el nombre de primario y la bobina en donde aparece ya trasformada se denomina secundaria
En los transformadores comerciales el rendimeinto es muy elevado , lo que significa que se pierde poca energia en el proceso d transformacion
Esta propiedad de la trasformacion electrica explica el hecho de que la energia electrica se trasporte en lineas de alta tencion.
El trasporte de electricidad a baja intencidad reduce considerablemte las perdidas en forma de calor ( efecto Joule ) a lo largo del trayecto que separa las centrales electricas de las ciudades
La induccion mutua es el fenomeno por el cual una corriente variable en un circuito induce una fem en otro .
La variacion de la intensidad de corriente en una bobina da lugar a un campo magnetico variable , el cual origina un flujo magnetico tambien variable que atraviesa la otra bobina e induce en ella de acuerdo con la ley faraday , una fem.
El fenomeno de la autoinduccion consiste en una induccion de la propia corriente sobre si misma
Una bobina aislada por la que circula una corriente variable puede considerarse atravesada por un flujo tambien variable debido a su propio campo magnetico , lo que da origen a un auto fem inducida
El generador electrico es el dispositivo que convierte la energia mecanica en energia electrica , mientras que el motor hace lo contrario : transforma la energia electrica en mecanica ; ambos utilizan la interaccion entre conductores de movimiento ( bobina) y campos magneticos.
La mayor cantida de energia electrica que se suministra hoy en dia se genera a partir de generadores electricos.
En el generador elemental existe una espiral de alambre que gira a traves de un campo magnetico , a la cual se le llama armadura , y se conecta a un circuito externo a traves de anillos deslizantes.
Los generadores de corriente directa se clasifican segun el metodo de exitacion empleado.
El generador de corriente alterna se le conoce como alternador ; cuenta con un iman que genera el campo magnetico ( inductor ) y una bobina en la que se induce la fem ( inducido )
Los´principios de funcionamiento del motor de corriente directa son muy similares ala de los generadores.
Los motores de corriente directa se clasifican en :
● De exitacion independiente
● De exitacion serie
●De derivacion
● De exitacion compuesta ( compund )
Considerando la ley de Lenz la fem inducida actua en contra del voltaje aplicado generando una fuerza contraelectromotriz que limita el flujo de la corriente de la armadura . Mientras mayor sea la velocidad del motor , mayor sera el cambio de flujo atravez de la bobina y por ende la fuerza electromotriz.
Un motor de corriente alterna esta constituido por un circuito magnetico y dos lectricos , uno colocado en la parte fija ( estator ) y otro en la parte movil ( rotor ).
El descubrimiento hecho por el fisico ruso Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 - 1865 ) , que expresa en la ley de Lenz : " La direccion de la fem inducida y por consiguiente el flujo de corriente , es tal que el campo magnetico formado se opone al movimiento que lo produce "
Cutnell propone un procedimiento para simplificar la comprencion de esta ley :
1.- Determina si el flujo magnetico que penetra una bobina aumenta o disminuye
2.- Encontrar cual debe ser la direccion del campo inducido de manera que se oponga al cambio de flujo
3.- Una vez encontrada la direccion del campo inducido se aplica la regla de la mano derecha para determinar la direccion de la corriente inducida , y con ello asignar la polaridad de la fem inducida ya que la corriente se dirige hacia afuera de la terminal positiva
Tanto el cientifico ingles Michael Faraday ( 1791 - 1878 ) como el norteamericano Joseph Henry ( 1797 - 1878 ) comparten el merito de haber descubierto la induccion eletromagnetica . Como menciona Hecht , Henry habia efectuado un experimento muy similar al de Faraday un año antes ; sin embargo , no publico su trabajo.
El flujo magnetico pasa a traves de una bobina que tiene N numero de vueltas , por lo tanto la fem inducida en dicha bobina durante un intervalo de tiempo es N veces el cambio de flujo a traves de cada vuelta dividido entre ese tiempo . Este fenomeno se describe mediente la ley Faraday de la induccion magnetica y se determina con las siguiente formula :
EJEMPLO :
Considerando el ejmplo anterior determina el valor de la fem inducida si la magnitud del campo magnetico permanece constante cuando la bobina se encunetra perpenticularmente al campo durante 0.1 s
SOLUCION :
A partir de la lay de faraday , determinamos el valor de fem :
se conoce como induccion electromagnetica al fenomeno de generar una fem inducida a partir de un campo magnetico . Para ello , debemos de tener en cuenta los siguiente : entre mas rapido cruce el conductor atraves del campo , mas vueltas existen en la bobina y mas intenso sea el campo magnetico , mayor sera la fem inducida y el flujo de corriente.
A partir del movimineto de la carga electrica a traves del campo magnetico se genera una fem , y para determinar su magnitud se debe considerar la intensidad del campo magnetico B , la longitud L y la velocidad v con la que se mueve dicha barra respecto al campo magnetico , como se expresa en la siguiente formula :
EJEMPLO :
Una barra con una longitud de 2 m se mueve a una velocidad de 3 m / s en direccion perpenticular a un campo magnetico de 1 T . D etermina el valor de la fem producida por la barra. supóniendo que se halla conectada al sistema de una resistencia de 90 Ω , calcula la corriente inducida en el circuito , asi como la potencia electrica suministrada.
SOLUCION :
Calculando la fem de movmiento tenemos :
considerando que la fem se calcula en voltios podemos aplicar la ley de Ohm para determinar el valor de la corriente :
recordaras que se menciono que la potencia electrica es el producto de la corriente y la diferencia de potencial , por lo tanto :
cuando el campo magnetico es constante , la fem producida es proporcional a la rapidez del cambio de area perpenticular atravesada; por lo tanto , cantidad de campo magnetico que atraviesa perpenticularmente un area se le conose como flujo magnetico , el cual tiene como unidad el weber ( Wb ) , en honor al fisico aleman Wilhelm Weber , el cual equivale a un tesla por metro cuadrado.
EJEMPLO :
Una bobina circular plana de 150 vueltas de alambre que tiene un area de 0.5 m ² , esta colocada en un campo magnetico cosntante perpenticular de 0.3T. Determina el flujo magnetico cuando la bobina se encuentra a 0° , 45° , 60° y 90° con respecto a las lineas del campo magnetico .
SOLUCION :
Para los cuatro casos solicitados es posible calcular el flujo mediante la formula θ = BA cos θ :
El solenoide es un conjunto de espirales iguales ( bobinas ) , paralelas , de determinada longitud L y por las que se induce una corriente electrica . en el espectro magnetico del campo creado por un selenoide es parecido al d eun iman recto.
La magnitud del campo magnetico B en un punto cualquiera del interior de un selenoide depende del numero de espirales que lo forman . A mayor numero de las mismas se produce un campo magnetico mas intenso , el cual se calcula con la siguiente ecuacion :
En la ecuacion anterior , n representa el numero de vueltas N por unidad de longitud L ( N / L )
EJEMPLO:
En un sistema de resonancia magnetica . diseño para obtener mediciones de cuarpo completo de los pacientes de un hospital , se encuentra un selenoide , cuya longitud no es muy grande con respecto a su diametro . El campo magneticao producido por el mismo tiene un valor de 7 T , y atraves de el fluye una corriente de 200 A . Determina el numero de vueltas por metro que tiene el solenoide .
SOLUCION:
A partir de la ecuacion 4 podemos despejar la variable , n , la cual es la relacion que existe entre el numero de vueltas N y la longitud L del solenoide , luego entonces :
Campos magneticos producidos por medio de una corriente electrica
Campo magnetico producido en un conducto recto
Al incluir una corriente electrica a traves de un conductor , las lineas de fuerza del campo magnetico resultante forman circunferencias concentricas alrededor del mismo .
La intensidad del campo B depende de las caracteristicas del medio que rodea a la corriente , siendo mayor es la intensidad de corriente l y cuanto menor es la distancia r del conductor . Para un alambre recto , la magnitud del campo magnetico B , en funcion de la corriente electrica l y de la distancia del alambre r , se calcula por medio de la siguiente ecuacion :
μ0 es una constante caracteristica del medio que recibe el nombre de permeabilidad del espacio libre o magnetica , cuyo valor μ0 = 4π x 10^-7 Tm / A
EJEMPLO:
A traves de un alambre largo y recto circular una corriente de 48 A . El campo magnetico que se genera en cierto punto del mismo es de 8 x 10 ^-5T. Determina en que ´punto de alambre se realizo esta medicion:
SOLUCION:
Despejando r de la ecuacion 2, tenemos:
CAMPO MAGNETICO PRODUCIDO EN UNA ESPIRAL
Al observar el espectro magnetico que se forman en una espiral debido a una corriente , se aprecian que las lineas de fuerzas del campo se cierran en torno a cada porcion de la espiral , de manera similar como ocurrre en un iman recto con polos norte y sur . La cara norte de una corriente circular ; la considerada como un iman , es aquella de donde salen dos lineas de fuerza ; la cara sur , aquelladonde llegan dichas lineas
La intensidad del campo B en el interior de un espiral depende de las propiedades del medio que rodea la espiral , de la intensidad de corriente l y del valor del radio R de la misma , y se calcula con la ecuacion :
EJEMPLO:
Determina el valor de radio que debe tener una espiral dde alambre para que que el campo magnetico de su centro tenga un valor de 1.8 x 10 ^ -4T en el momento que por ella circule una corriente de 12 A.
SOLUCION:
A partir de la ecuacion 3 , despejamos R y calculamos el valor del radio :
es el espacio que rodea a un iman y donde se manifiestan las fuerzas de atraccion o repulsion que este ejerce , siendo el medio atraves del cual se propagan los efectos magneticos.
Las fuerzas magneticas son fuerzas de accion a distancia que permiten recurrir a la idea fisica de campo para describir la influencia de un iman.
las lineas del campo magnetico, al igual que las lineas del campo electrico , nunca se intersectan . cuando una carga en movimiento se encuentra en un campo magnetico , de manera tal que su vector de velocidad tenga una componente en perpenticular a las direcciones del campo magnetico y de la velocidad. si fuera posible que las lineas de un campo magnetico se intersectaran , entonces habria una fuerza asociada a cada una de las dos lineas de las dos lineas de campo y la particula se moveria en dos direcciones .Puesto que la fuerza en una particula siempre tiene una sola direccion , podemos concluir que las lineas de campo magnetico no se pueden cruzar.
La intensidad de campo electrico , tambien conocida como induccion magnetica , se representa por la letra B y es una cantidad vectorial con direccion y sentidos expresados mediante las lineas de fuerza magnetica.
Para definirlo matematicamente , es necesario analizar lo que le sucede a una carga electrica en movimiento en presencia de un campo magnetico. Al considerar que dicha carga estuviese en reposo , no se apresiaria ninguna fuerza ; sin embargo , si esta carga se mueve dentro de un campo magnetico generado por un iman se observa que su trayectoria es curva , lo que indica ques es una fuerza magnetica se esta ejerciendo sobre ella.
La magnitud del campo B en cualquier punto del espacio se expresa mediante la sigueinte ecuacion :
En la ecuacion anterior, F representa la magnitud de la fuerza magnetica que se ejerce sobre una carga q0 , cuya velocidad v forma un angulo de θ con el campo .La direccion B es aquella en la que deba desplazarse la carga para que la fuerza magnetica sea nula ,es decir , la de las lineas de fuerza.
La unidad del campo magnetico en el SI es el Tesla ( T ) , en honor a Nicola Tesla (1856 - 1943), la cual representa la intensidad que ha de tener el campo magnetico para que una carga de 1 C , moviendose en su interior a una velocidad de 1 m / s perpenticularmente ala direccion del campo , experimente una fuerza magnetica de 1 newton, es decir 1 T = 1 N / 1 C x 1 m / s .
EJEMPLO:
En cierto punto , la componente horizontal del campo magnetico terrestre es de 2.5 x 10^-5 T , hacia el norte. Imagina que un proton ( m =1.67 x 10^-27 kg y q = 1.6 x 10^-19C ) se mueve a una cierta velocidad hacia el este , de manera tal que el campo magnetico terrestre balancea su peso . determina la velocidad del proton.
SOLUCION:
Considerando que el campo magnetico terrestre apunta hacia el norte y el proton se mueve hacia el este , podemos decir que θ = 90° . Por otra parte , la segunda ley de Newton expresa que F = ma , donde la aceleracion , para fines de este problema , tomara el valor de la aceleracion de la gravedad de ( 9.81 m/ s ² ) . Despejando v de la ecuacion 1 , tenemos :
Por su naturaleza existen dos tipos de iman : naturales y artifisiales
los primeros son aquellos materiales que poseen fuerzas magneticas al ser extraidasde la tierra , como la magnetita
Los segundos son materiales que han sido imantados ( magnetisados) de manera simulada , ya sea por frotasion o induccion magnetica , colocandolos dentro de una bobina por la cual pasa corriente electrica.
Los imanes tambien se clasifican por su duracion , convirtiendolos en permanetes y temporales .
Los permanentes son imanes artifisiales que han sido sometidos a algun tipo de tratamiento termico y magnetizados por medio de corriente electrica.
Los temporales son aquellos que , apesar de ser magnetizados artificialmente , pierden su magnetismo casi inmediatamente despues de ser retirados de la fuerza que los magnetiza
es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.
Cuando se habla de magnetismo , inevitablemente se tiene que mencionar a los imanes , los cuales son aquellos materiales que generan un campo magnetico cuyo comportamiento ponen de manifiesto que en ellos existe un par de zonas extremas o polos , donde la accion magnetica es mas intensa ;
A estos polos se les denomina polo norte y polo sur.
esta similitud con los polos geograficos se basa en el hecho de que la tierra se comporta de manera similar a un gran iman.
como podras abservar , las lineas del campo magnetico no son paralelos en todos los puntos , si no que entre mas cerca esten de los polos , las lineas se vuelven perpenticulares a la superficie de la tierra , y el angulo que se genera se le denomina angulo de inclinacion.
los imanes se comportan como las cargas electricas en el sentido de que sus polos se atraen o repelen , es decir , los polos del mismo tipo se repelen . Esta caracteristica pone de manifiesto la similitud existente entre el magnetismo y la corriente electrica.
otra caracteristica de los imanes consiste en la imposibilidad de aislar sus polos magneticos; es decir , si cortaras un iman recto en dos mitades , tendrias dos imanes con sus respectivos polos norte y sur. Por lo tanto , podemos concluir que no es posible obtener un iman con un solo polo magnetico, al igual qu no se puede tener un cuerpo cargado con electricidad de un solo signo
Un iman solo ejerce fuerzas magneticas sobre cierto tipos de materiales , en particular sobre el hierro. Dichas fuerzas son de atraccion a distancia , es decir , se producen sin que exista contacto fisico entre los dos cuerpos , por lo tanto . la intensidad de la fuerza magnetica de interaccion entre imanes disminuye con la distancia
El voltaje y la corriente electrica pueden ser medidos con instrumentos denominados Voltimetros y amperimetros , respectivamente.
Voltimetro Amperimetro
Se pueden encontrar tanto digitales como analogos , en los cuales el dispositivo principal de su funcionamiento es el galvanometro.
El amperimetro es un dispositivo para medir la corriente electrica y debe conectarse en el circuito de maneral tal que la corriente pase directamente atraves de el , es decir en serie.
El voltimetro es un instrumento que mide el voltaje entre dos puntos A y B , en un circuito , y debe conectarse entre estos puntos , es decir , en paralelo , y no debe insertarse como un amperimetro.
Como ya se menciono , la diferencia de potencias entre dos puntos es igual a
Recordemos que se estableci que la potencia es la relacion existente entre el trabajo efectuado por unidad de tiempo , es decir ,
Debido a que la corriente electrica es la cantidad que atraviesa un conductor por unidad de timpo ( I = q / .t ) , podemos expresar la potencia electrica en relacion a la diferencia de potencial y la corriente , por lo tanto :
Ahora , al aplicar la ley de Ohm a la ecuacion anterior , nos queda de la siguiente forma :
Al igual que la potencia mecanica , la potencia electrica se mide en Watts. Considerando que la energia electrica es el producto de la potencia por el tiempo , comision federal de electricidad ( CFE)
calcula el costo de esa energia apartir de la potencia en Kilowatts y el tiempo en horas , es decir en Kilowatts - horas (kWh) , el cual es equivalente a 3.6x10^6 J de energia.
EJEMPLO :
una plancha tiene una resistencia interna de 24Ω y se encuentra conectada a una toma de corriente de 120 V . determina la potencia que consume la plancha .
Los circuitos electricos son representaciones graficas de elementos conectados entre si para formar
una trayectoria por la cual circula una corriente electrica , en la que fuente de energia y el dispositivo consumidor de energia estan conectados por medio de cables conductores , a traves de los cuales circula la carga.
En los circuitos utilizamos muchos tipos de fuentes de energia electrica (fuentes de poder ) , de las cuales las mas comunes son pila o baterias , y su representacion grafica es PILA ( como podemos ver en la imagen de arriba ) . Si un conductor se conectara a las terminales de una bateria , pasara una corriente atravez de el .
En esta seccion abordaremos los circuitos electricos resistivos conectados en serie , paralelos y la combinacion de ambos , al que llamaremos circuito mixto , la representacion grafica de las resistencias representadas en los circuitos sera RESISTENCIA ( es el que marca el dibujito de arriba)
CIRCUITO EN SERIE
Un circuito resistivo en serie está formado por una fuente de energía y un conjunto de resistencias conectadas una tras otra, generando un único camino por el cual circula corriente.
La corriente en un circuito en serie es la misma para todos los elementos, se calcula como la tensión o voltaje divido entre la resistencia total (equivalente) del sistema.
La resistencia equivalente para un circuito en serie es la suma de todas las resistencias
CIRCUITOS EN PARALELO
El voltaje de un circuito electrico en paralelo es el mismo en todos sus elementos. Por otra parte , la corriente electrica total del circuito sera igual ala sumatoria de todas las corrientes individuales de los elementos que los componen . La resistencia equivalente en un circuito electrico en paralelo es igual al inverso de la suma algebraica de los inversos de las resistencias que lo integran , y su valor siempre sera menor que cualquiera de las resistencias existentes en el circuito.
Cuando unicamente existen dos resistencias se puede emplear la siguiente formula para calcular las resistencia equivalente :
bueno aqui puden ver como resolver problemas de circuitos en paralelo
EJEMPLO :
para el circuito mixto que se muestra en la figura , calcula el valor de la resisencia equivalente y de las corrientes de cada resistencia . Considera que la fuente proporciona al circuito 9 V y que cadaresistencia tiene un valor de 1 kΩ
solucion :
las recistencias de R2 y R3 estan enerie . Reduciendo estas resistencias a R(a) , tenemos :
Las resistencias R(a) y R4 estan en paralelo . Reduciendo estas resistencias a R(R) , tenemos :
Las resistencias R1 , R (B) y R5 estan en serie . calculando la resistencia equivalente :
Calculando la corriente total del circuito :
Ya que la corriente en un circuito en serie es la misma para todos sus elementos , las resistencias R1 y R5 tienen una corriente igual al valor de la corriente total , es decir , amabas resistencias tienen una corriente de 3.37 mA.
La resistencia R(B) es la resusltante de la combinacion en paralelo de R4 y R(A) , por lo tanto , para conoser la corriente que influye en ella es necesario calcular su voltaje :
El voltaje que existe en R(B) es el mismo para R4 y R(A) , debido a que ambos estan en paralelo . Ahora calcularemos las corrientes en estas resistencias :
A continuacion observaremos que la resistencia R(A) es resultado de la combinacion en serie de R2 y R3 , por lo tanto , la corriente que fluye en ellas sera igual al valor de la de R(A) :
