Fisica4

CORPORACIÒN IBEROAMERICANA DE ESTUDIOS
DEPARTAMENTO DE
PUBLICACIONES
GUIA DE TRABAJO DE
FÍSICA II
CUARTA SESION
Elaborada por
JEAN YECID PEÑA
BOGOTA D.C
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CORPORACIÒN IBEROAMERICANA DE ESTUDIOS
DATOS DEL ESTUDIANTE
NOMBRE DEL ESTUDIANTE
: ________________________
_________________________
CARRERA
: ________________________
JORNADA
: MARTES Y MIERCOLES
JUEVES Y VIERNES
SABADOS
DOMINGOS
NOMBRE DEL PROFESOR
: ________________________
FECHA
: DEL __________ AL _______
CALIFICACION
: ________________________
(
(
(
(
)
)
)
)
_____________________
FIRMA DEL PROFESOR
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CAMPO MAGNÉTICO
Entre dos cargas que se encuentran en reposo existe una interacción
electrostática, debida al campo eléctrico generado por cada carga. En forma
similar, si las cargas están en movimiento, modifican el espacio que las rodea
creando un campo magnético, que interactúa con las cargas eléctricas en
movimiento que se encuentran en dicho espacio.
El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica
puntual de valor q que se desplaza a una velocidad, sufre los efectos de una
fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo,
llamada inducción magnética o densidad de flujo magnético. Así, dicha carga
percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.
F  qv  B
(Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto cruz es
un producto vectorial que tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v
como a B). El módulo de la fuerza resultante será
F  q  v  B  sen
El campo magnético o vector de inducción magnética se representa con la letra B
y se mide en Tesla.
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Ejemplo
Un protón se mueve con una velocidad de 8.0  10 6 m
a lo largo del eje x. entre a
s
una región donde hay un campo magnético de magnitud igual a 2.5T , dirigido a un
ángulo de 60  con el eje x y que se encuentran en el plano xy. Calcule la fuerza
magnética sobre el protón y la aceleración del mismo.
Solución
De la ecuación F  q  v  B  sen , tenemos:

F  1.60  10 19 C  8.0  10 6 m
2.5T sen60   2.8 10

s
12
N
Debido a que v  B esta en la dirección z positiva (regla de la mano derecha) y la
carga es positiva, F está en la dirección z positiva.
La masa del protón es 1.67  10 27 Kg , por lo que su aceleración inicial es:
a
F
2.8  10 12 N

 1.7  10 15 m 2
s
m 1.67  10 27 Kg
En la dirección z positiva.
Fuentes del campo magnético
Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una
corriente eléctrica de convección, que da lugar a un campo magnético estático.
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Por otro lado una corriente de desplazamiento origina un campo magnético
variante en el tiempo, incluso aunque aquella sea estacionaria.
La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley
de Ampère. El caso más general, que incluye a la corriente de desplazamiento, lo
da la ley de Ampère-Maxwell.
Fuerza magnética sobre un conductor
Cuando cargas eléctricas penetran a un campo magnético experimentan fuerzas.
Si las cargas eléctricas se desplazan dentro de un alambre (conductor) que se
coloca en un campo magnético B. cada carga en movimiento de la corriente
eléctrica quedará bajo la acción de una fuerza magnética y por consiguiente el
alambre estará sometido a una fuerza resultante ya que las cargas en movimiento
forman parte del material del cual esta hecho el conductor.
La magnitud de la fuerza sobre el alambre es la resultante de las fuerzas
ejercidas sobre cada una de las cargas que se desplazan dentro de él.
Supongamos que un conductor de área de sección A y de largo l recorriendo una
corriente I se coloca en un campo magnético uniforme, perpendicular al campo B
como se muestra en la figura.
Si F es el valor de la fuerza que actúa sobre cada carga q se sabe, (con   90  )
F  qvB
1
Donde v es la velocidad. Si se tiene n cargas móviles en el largo l, la fuerza que
actuará en el conductor será:
F  n F  nqv B
2
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Donde Qt  n  q representa la carga total que se desplaza dentro del conductor.
Pero se sabe que:
3
Qt  I  t
De donde t es el tiempo que la carga Qt empleará para recorrer la longitud l con
velocidad v. dicha velocidad esta dada por:
v
1
t
De donde t 
1
v
4
Reemplazando la expresión (3) y (4), en la (2) se obtiene:
1
F  I  t  v  B  I v  B  I  l  B
v
O sea que: F  IlB
El valor de la fuerza resultante que actúa sobre el conductor depende de la
corriente en el alambre, de su longitud y de la intensidad del campo magnético. Si
el alambre forma un ángulo  con B el valor de F viene dado por:
F  I  l  B  sen
Ley de Biot y Savart
Magnitud del campo magnético
Para calcular el campo magnético alrededor
de conductores se utilizan la Ley de
Ampere y la Ley de Biot-Savart.
Ampère, Biot y Savart encontraron una serie de resultados experimentales que los
llevo a obtener una relación matemática que permite calcular el valor del campo
magnético producido por una corriente en cualquier punto del espacio.
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Consideramos un conductor de longitud l, del cual se toma una pequeña longitud
l .
Si se conecta un alambre a los bornes de una batería se produce una corriente en
éste que generará un campo magnético en el espacio que lo rodea. En un punto P
a una distancia r del elemento l se originará un campo B . Experimentalmente
se observa que B depende de la intensidad d I de la corriente del elemento, de
la longitud l de éste, de su distancia r al punto P considerado y del ángulo  que
forma la tangente al conductor en el elemento y la recta que une éste con el punto
P. Se tiene que:
B 
I  l  sen
r2
B 
Ó
K  I  l  sen
r2
Donde K es una constante de proporcionalidad que depende de las propiedades
del medio interpuesto entre l y P y de las unidades utilizadas. Para nuestro
estudio emplearemos el valor:
K
0
 10 7 Wb
A m
4
Donde  0  4  10 7 Wb
A m
que se refiere al vacío.  0 Recibe el nombre de
permeabilidad del vacío.
La ecuación anterior representa la magnitud del campo magnético originado en el
punto P por el elemento l . A esta expresión se le llama LEY DE BIOT SAVART.
El campo total B en P es la suma de las contribuciones de todos los elementos del
hilo, es decir:
B
I  l  sen
r2

I  ds  r
La ley de Biot Savart puede resumirse dB  K
, y por lo tanto se puede
r2

 I  ds  r
escribir: dB  0
, e integrando a ambos lados tenemos:
4
r2
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
 I ds  r
B 0  2
4
r
Donde la integral se valida sobre todo el conductor.
Ejemplo
Campo magnético sobre el eje de un lazo de corriente circular
Considere un lazo circular de alambre de radio R localizado en el plano xy que
conduce una corriente estable I, como se ve en la figura. Calcule el campo
magnético en un punto axial P a una distancia x del centro del lazo.
La geometría para calcular el
campo magnético en un punto
axial P para un lazo de
corriente. Note que por
simetría el campo total B está
a lo largo del eje x.
Razonamiento
En esta situación observe que

cualquier elemento ds es perpendicular a r . Además, todos los elementos
alrededor del laso están en la misma distancia r de P, donde r 2  x 2  R 2 . Por lo
tanto, la magnitud de dB debido al elemento ds es:

dB 
0 I
4
ds  r
r
2

0 I
ds
2
4 x  R 2 
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La dirección del campo magnético dB debido al elemento ds es perpendicular al

plano formado por r y ds , como lo indica la figura. El vector dB puede
descomponerse en una componente dB , a lo largo del eje x, y una componente
dB que es perpendicular al eje x. cuando las componentes perpendiculares al eje
x se suman sobre el anillo completo, el resultado es cero. Es decir, por simetría
cualquier elemento sobre un lado del anillo forma una componente perpendicular
que cancela la componente establecida por un elemento diametralmente opuesto
a él.
Solución
Por las razones anteriores, el campo resultante en P debe estar a lo largo del eje x
y puede encontrarse integrando las componentes x de dB  dB cos , donde esta
expresión se obtiene descomponiendo el vector dB en sus componentes, como se
muestra en la figura. Es decir, B  iB x .
Bx   dB  cos  
 0 I ds  cos 
4  x 2  R 2
Y la integral debe tomarse sobre todo el lazo. Debido a que  , x y R son
R
constantes para todos los elementos del lazo y puesto que cos  
,
1
2
2 2
x R
obtenemos:

Bx 
0  I  R

4 x  R
Donde
2

3
2 2
hemos
 ds 

0  I  R 2

2x R
2
aprovechado

3
2 2
el
hecho
magnético
de
que
 ds  2R (la
circunferencia de lazo).
Para encontrar el campo magnético en el centro del lazo, x  0 en la ecuación de
arriba descrita en ese punto especial, esto produce:
B
0  I
2R
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Campo magnético de la tierra
El campo magnético terrestre se extiende desde el núcleo hasta atenuarse
progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con unos efectos
electromagnéticos más conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento
solar, pero que además permite fenómenos muy diversos como la orientación de
las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y
la orientación de las personas mediante brújulas.
Una brújula apunta en la dirección Sur-Norte por tratarse de una aguja imantada
inmersa en el campo magnético terrestre: desde este punto de vista, la Tierra se
comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la
actualidad, no coinciden con los polos geográficos.
El Polo Norte Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte
Geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte
geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética.
La declinación magnética depende del lugar de observación, por ejemplo
actualmente en Madrid (España) es aproximadamente 3º oeste. El polo Norte
magnético está desplazándose por la zona norte canadiense en dirección hacia el
norte de Alaska.
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Variaciones del campo magnético terrestre
El campo magnético de la Tierra varía en el curso de las eras geológicas, es lo
que se denomina variación secular. Según se ha comprobado por análisis de los
estratos al considerar que los átomos de hierro contenidos tienden a alinearse con
el campo magnético terrestre. La dirección del campo magnético queda registrada
en la orientación de los dominios magnéticos de las rocas y el ligero magnetismo
resultante se puede medir.
Midiendo el magnetismo de rocas situadas en estratos formados en periodos
geológicos distintos se elaboraron mapas del campo magnético terrestre en
diversas eras. Estos mapas muestran que ha habido épocas en que el campo
magnético terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse.
Durante los últimos cinco millones de años se han efectuado más de veinte
inversiones, la más reciente hace 700.000 años. Otras inversiones ocurrieron hace
870.000 y 950.000 años. El estudio de los sedimentos del fondo del océano indica
que el campo estuvo prácticamente inactivo durante 10 o 20 mil años, hace poco
más de un millón de años.
No se puede predecir cuándo ocurrirá la siguiente inversión porque la secuencia
no es regular. Ciertas mediciones recientes muestran una reducción del 5% en la
intensidad del campo magnético en los últimos 100 años. En la Anomalía del
Atlántico Sur, la fuerza del campo magnético está disminuyendo diez veces más
rápido que en otros lugares.
Magnetismo planetario
El magnetismo es un fenómeno extendido a todos los átomos con desequilibrio
magnético. La agrupación de dichos átomos produce los fenómenos magnéticos
perceptibles, y los cuerpos estelares, los planetas entre ellos, son propicios a tener
las condiciones para que se desarrolle un campo magnético de una cierta
intensidad. En el interior de los planetas, la acumulación de materiales
ferromagnéticos (como hierro) y su movimiento diferencial relativo respecto a otras
capas del cuerpo inducen un campo magnético de intensidad dependiente de las
condiciones de formación del planeta. En el mismo siempre se distinguen los dos
polos, equivalentes a los de un imán normal. En el caso de la Tierra, la zona en la
que se mueve está influenciada por el campo magnético solar, pero el propio
campo magnético terrestre crea como una burbuja, la magnetosfera terrestre,
dentro del anterior. Dicha burbuja tiene una capa límite entre su influencia y la
solar (magnetopausa) que es aproximadamente esférica hacia el Sol, y alargada
hacia el sistema solar externo, acercándose a la superficie terrestre en los polos
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magnéticos terrestres. La interacción en constante evolución entre ambos campos
magnéticos y las partículas cargadas provenientes del Sol produce fenómenos
como las auroras (boreales o australes) y la interferencia en las comunicaciones
por ondas electromagnéticas, así como alteraciones en los satélites artificiales en
órbita, también se le llama diapositivas en forma de disquete.
Inducción electromagnética y la ley de Faraday
Empezamos describiendo dos experimentos sencillos que demuestran que se
puede producir una corriente mediante un campo magnético variable.
.
Primero consideremos un lazo de alambre conectados a un galvanómetro como lo
muestra la figura de arriba. Si el imán se mueve hacia el lazo, la aguja del
galvanómetro se desviará en una dirección tal como se presenta en la figura.
Si el imán se aleja del lazo, la aguja del galvanómetro se desviará en la dirección
opuesta como se puede ver en la figura de arriba.
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Estos resultados son muy importantes en vista de que se establece una corriente
en el circuito aun cuando en él no haya batería. Llamaremos a esta corriente como
una corriente inducida, la cual se produce mediante una fem inducida.
La fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la tasa de cambio en
el tiempo del flujo magnético a través del circuito.
Este enunciado, conocido como LEY DE INDUCCION DE FARADAY, puede
escribirse:
d B
Donde  B es el flujo magnético que circunda el circuito, el cual puede
dt
expresarse como:
 
 B   B  dA
Esta integral se toma sobre el área delimitada por el circuito. El significado del
signo menos es una consecuencia de la LEY DE LENZ, que se puede enunciar
como: la polaridad de una fem inducida es tal que tiende a producir una corriente
que creará un flujo magnético que se opone al cambio del flujo magnético a través
del lazo.
Si el circuito es una bobina que consta de N vueltas, todas de la misma área, y si
d
el flujo circunda todas las vueltas, la fem inducida es:    N B
dt
Ejemplo
Una forma de inducir una fem en una bobina
Una bobina esta enrollada con 200 vueltas de alambre sobre el perímetro de un
armazón cuadrado de 18 cm de lado. Cada vuelta tiene la misma área, igual a la
del armazón, y la resistencia total de la bobina es 2.0 . Se activa un campo
linealmente de 0 a 0.50Wb 2 , en un tiempo de 0.80 s, encuentre la magnitud de
m
la fem inducida en la bobina mientras esta cambiando el campo.
Solución
El área del lazo es 0.18m   0.0324m 2 . El flujo magnético a través del lazo en
t  0 es cero puesto que B  0 . En t  0.80s , el flujo magnético a través del lazo
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
es  B  B  A  0.50Wb
0.0324m   0.0162Wb , por lo tanto, la magnitud de la
m
2
2
fem inducida es:
 
N   B 200  0.0162Wb  0Wb 

 4.1V
t
0.80s
Observe que 1 Wb  1 V
Generadores y motores
Los Motores y generadores eléctricos, son un grupo de aparatos que se utilizan
para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios
electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica
se le denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la
energía eléctrica en mecánica se le denomina motor.
Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los
generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción
descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un
conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las
proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se
establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a éste
fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente
pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una
fuerza mecánica sobre el conductor.
La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por
Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la
parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los
polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre
el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco
puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un
voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a
la fuerza producida por la reacción magnética.
El campo magnético de un imán permanente es lo suficientemente fuerte como
para hacer funcionar una sola dinamo pequeña o motor. Por ello, los
electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los
generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el
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electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los
conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en
un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es
por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan
en bobinas los cables conductores.
Motores y generadores eléctricos
Grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica,
o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la
energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dinamo, y a
una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina
motor.
Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los
generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción
descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un
conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las
proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad
variable, se establece o se induce una corriente eléctrica en el primer conductor.
El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André
Marie Ampère. Si una corriente pasa a través de un conductor situado en el
interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el
conductor. Ver Magnetismo.
La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por
Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la
parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los
polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre
el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco
puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un
voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a
la fuerza producida por el campo magnético.
El campo magnético de un imán permanente sólo tiene fuerza suficiente como para hacer
funcionar una dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en
máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas:
el inductor, que crea el campo magnético y que suele ser un electroimán, y la armadura o
inducido, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo
magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación
en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado,
alrededor del cual se enrollan los cables conductores.
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GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura
circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido
durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o
corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio
para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada
revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante
un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura.
Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la
bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el
conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos.
Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma
alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento
en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura. Así
se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el
generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan
normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen
entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto
desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios. En algunas
máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia
electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.
Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor,
que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en
hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los
segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo
circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo
de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un
conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta
siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de
alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las
bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los
generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que
aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se
añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el
efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo.
El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán
permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último
caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por
autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para
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crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo
según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en
derivación y en combinación.
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a
los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan
al revés. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de
corriente continua, se genera un par de fuerzas debido a la acción del campo
magnético, y la armadura gira (véase Momento de una fuerza). La función del
conmutador y la de las conexiones de las bobinas del campo de los motores es
exactamente la misma que en los generadores. La revolución de la armadura
induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto al voltaje exterior
que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o
fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido
aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y
la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo
carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para
mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el
voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura.
Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la
armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de
corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente
resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una
gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El
medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido
conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el
motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera,
la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática.
La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo
magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto
más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar
un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado.
Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede
controlarse mediante la variación de la corriente del campo.
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GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA (ALTERNADORES)
Como se decía antes, un generador simple sin conmutador producirá una corriente
eléctrica que cambia de sentido a medida que gira la armadura. 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. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin
embargo, son a menudo máquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que
suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del
número de polos por el número de revoluciones por segundo de la armadura.
A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. 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.
La corriente que se genera mediante los alternadores descritos más arriba
aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube
otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la
que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente
alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas,
montadas a 90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán
dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea
cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan
tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de
onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Se puede obtener un número
mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura, pero en la
práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna
trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que se
emplea normalmente para generar potencia eléctrica.
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Motores de corriente alterna
Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna
polifásica: los motores síncrono y los motores de inducción. El motor síncrono es
en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo
se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas
de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna
trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una
reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el
campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la
corriente en la línea de potencia de corriente alterna.
La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin
embargo, no puede utilizarse este tipo de motores en aplicaciones en las que la
carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce
su velocidad cuando está bajo carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia
de la corriente y llegar a pararse. Los motores síncrono pueden funcionar con una
fuente de potencia monofásica mediante la inclusión de los elementos de circuito
adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio.
El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de
caja de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de
motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El
elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluye una serie de
conductores de gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y
paralelos a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en
su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de la
corriente trifásica dentro de las bobinas de la armadura fija genera un campo
magnético rotatorio, y éste induce una corriente en los conductores de la jaula. La
reacción magnética entre el campo rotatorio y los conductores del rotor que
transportan la corriente hace que éste gire. Si el rotor da vueltas exactamente a la
misma velocidad que el campo magnético, no habrá en él corrientes inducidas, y,
por tanto, el rotor no debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la
velocidad de rotación del rotor y la del campo difieren entre sí de un 2 a un 5%.
Esta diferencia de velocidad se conoce como caída.
Los motores con rotores del tipo jaula de ardilla se pueden usar con corriente
alterna monofásica utilizando varios dispositivos de inductancia y capacitancia,
que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al
bifásico. Estos motores se denominan motores multifásicos o motores de
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condensador (o de capacidad), según los dispositivos que usen. Los motores de
jaula de ardilla monofásicos no tienen un par de arranque grande, y se utilizan
motores de repulsión-inducción para las aplicaciones en las que se requiere el par.
Este tipo de motores pueden ser multifásicos o de condensador, pero disponen de
un interruptor manual o automático que permite que fluya la corriente entre las
escobillas del conmutador cuando se arranca el motor, y los circuitos cortos de
todos los segmentos del conmutador, después de que el motor alcance una
velocidad crítica. Los motores de repulsión-inducción se denominan así debido a
que su par de arranque depende de la repulsión entre el rotor y el estator, y su
par, mientras está en funcionamiento, depende de la inducción. Los motores de
baterías en serie con conmutadores, que funcionan tanto con corriente continua
como con corriente alterna, se denominan motores universales. Éstos se fabrican
en tamaños pequeños y se utilizan en aparatos domésticos.
TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA
En la práctica, los dos tipos de corrientes eléctricas más comunes son: corriente
directa (CD) o continua y corriente alterna (CA). La corriente directa circula
siempre en un solo sentido, es decir, del polo negativo al positivo de la fuente de
fuerza electromotriz (FEM) que la suministra. Esa corriente mantiene siempre fija
su polaridad, como es el caso de las pilas, baterías y dinamos.
La corriente alterna se diferencia de la directa en que cambia su sentido de
circulación periódicamente y, por tanto, su polaridad. Esto ocurre tantas veces
como frecuencia en hertz (Hz) tenga esa corriente. A la corriente directa (C.D.)
también se le llama "corriente continua" (C.C.).
La corriente alterna es el tipo de corriente más empleado en la industria y es
también la que consumimos en nuestros hogares. La corriente alterna de uso
doméstico e industrial cambia su polaridad o sentido de circulación 50 ó 60 veces
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por segundo, según el país de que se trate. Esto se conoce como frecuencia de la
corriente alterna.
En los países de Europa la corriente alterna posee 50 ciclos o hertz (Hz) por
segundo de frecuencia, mientras que los en los países de América la frecuencia es
de 60 ciclos o hertz.
Ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas se dispersan en el espacio al igual que lo hacen los
rizos que se forman en un lago cuando se arroja una piedra en sus aguas. En el
espacio vacío, las ondas electromagnéticas viajan a una velocidad cercana a los
300.000 km/s.
Esta velocidad sería suficiente para dar la vuelta a la tierra en una séptima parte
de segundo, o para cubrir los 150 Millones de kilómetros que nos separan del sol
en 8 minutos. A través de la materia, tal como el agua o el aire, la radiación
electromagnética viaja más lentamente; a mayor densidad de la materia, menor
velocidad.
En realidad, es el vínculo entre la electricidad y el magnetismo, el responsable de
la luz y todas las demás radiaciones del espectro electromagnético, incluidos los
rayos X, las ondas de radio y las microondas.
La radiación electromagnética se produce siempre que en un átomo un electrón
salta de una órbita a otra más cercana al núcleo. El vínculo existe porque la
radiación electromagnética está formada por energía eléctrica y energía magnética
en cantidades casi iguales, y la radiación electromagnética se propaga por el
universo como ondas interactivas de campos eléctricos y magnéticos.
Actividades
1.- En un campo magnético de 1,5 T se introduce un protón con una velocidad de
2x107 m/s formando un ángulo de 30º con la dirección de aquél. Hallar la fuerza
aplicada sobre la citada partícula. (2,4x10-12 N)
2.- Por efecto del campo magnético de inducción 4,5x10 -3 T, los electrones de un
haz (pincel) de un tubo de rayos catódicos describen un círculo de 2 cm de radio.
Hallar la velocidad de las citadas partículas. (1,58x107 m/s)
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3.- Se aceleran partículas alfa mediante una diferencia de potencial de 1kV,
penetrando a continuación en un campo magnético de inducción 0,2 T y de
dirección perpendicular a la del movimiento. Hallar el radio de la trayectoria que
recorren las partículas en cuestión. La masa y carga eléctrica de las partículas alfa
son 6,68x10-27 kg y + 2e, respectivamente. (3,23x10-2)
4.- Una partícula de carga q entra en una región del espacio donde existe un
campo eléctrico uniforme dirigido hacia abajo (recuerde que E = F/q). El valor de E
es de 80 kV/m. Perpendicular a E y dirigido hacia dentro de la página se halla un
campo magnético de 0,4 T. Si la rapidez de la partícula se escoge
apropiadamente, ésta no sufrirá ninguna deflexión a causa de los campos
perpendiculares. ¿Qué rapidez debe ser seleccionada en este caso?. (Este es un
dispositivo llamado "Selector de Velocidades") (2x105 m/s)
5.- Las partículas alfa (m = 6,68x10-27 kg, q = +2e) son aceleradas desde el reposo
a través de una diferencia de potencial. Después entran en un campo magnético
de 0,2 T perpendicular a su dirección de movimiento. Calcúlese el radio de su
trayectoria. (recuerde que variación de energía cinética es igual a trabajo eléctrico
o energía potencial eléctrica: Vq = mv2/2) (0,032 m)
6.- Determinar la masa de un ión positivo que se desplaza con una velocidad lineal
de 107 m/s en una trayectoria circular de 1,55 m de radio, normal a la dirección de
un campo magnético de inducción 0,134 T. (Si el ión tiene carga la unidad, ,32x10 27 kg; si está cargado el doble, masa = el doble; así sucesivamente)
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