Liceo Marta Donoso EspejoDepartamento de FìsicaTalca

Tema: Electromagnetismo.Objetivo: Reconocer diversos fenómenos electromagnéticos.Aprendizaje Esperado: Reconocen diversos fenómenos electromagnéticos.Nivel: 4º medioProf: Oscar Tapia P

Electromagnetismo y circuitos eléctricos.

Introducción

Seguramente sabes que las centrales hidroeléctricas transforman el movimiento del agua en electricidad;también el movimiento de la rueda de una bicicleta es capaz de generar electricidad suficiente paraencender un foco. Pero ¿cómo ocurre esta transformación de energía?¿Qué factores intervienen en el proceso de carga y descarga de un condensador?

1. Carga y descarga de un condensador1.1 Carga del condensador Se puede observar que el tiempode carga en dicho fenómeno depende del valor de la resistencia y de lacapacidad del condensador. Para cargar el condensador, necesitamos aplicara sus placas un voltaje continuo suministrado por una fuente de poder.

En el proceso de carga de un condensador, se pueden distinguir lassiguientes etapas:• Al conectar el interruptor S, la corriente comienza a circular por el circuito.• A medida que se produce la carga del condensador, la corriente disminuyey el voltaje en el condensador aumenta proporcionalmente a su carga.• La carga máxima que puede almacenar el condensador corresponde aQ =V0 . C.

El proceso en que la corriente disminuye y el voltaje del condensadoraumenta es denominado régimen transiente de la corriente.

El tiempo en que la carga del condensador alcanza el 63% de su capacidadmáxima se denomina constante de tiempo del circuito y se representa porla letra (tau), donde = R . C . Si es pequeño, la carga máxima se alcanzacon mucha rapidez; pero, si es grande, puede pasar mucho tiempo hastaque el condensador se cargue completamente.

1.2 Descarga del condensador

Supongamos que el condensador está inicialmente cargado con una cargaQ. Cuando el interruptor S se encuentra desconectado, el voltaje en elcondensador es Q/C y no hay corriente en el circuito.

Al conectar el interruptor, el condensador se descarga a través de la resistencia.Durante este proceso, el voltaje del condensador disminuye proporcionalmentea la carga.

Vc

R

SVo

C

1.3 Aplicaciones del circuito RC

La carga y descarga en un circuito RC se puedeusar para producir pulsos de voltaje a unafrecuencia regular. Una forma simple de iniciarla descarga de un condensador es con el usode un tubo lleno de gas, generalmente gasneón, que durante el proceso de carga ydescarga produce una luz titilante. El mismoprincipio se utiliza en los marcapasos cardiacos:ellos producen descargas eléctricas regulares através de un par de electrodos conectados alcorazón; estas descargas mantienen el ritmocardiaco. (Ver ilustración)

2. Inducción electromagnética

Este fenómeno fue observadoen 1831 por el inglés Michael Faraday (1791-1867) y por el estadounidenseJoseph Henry (1797-1878). Ellos comprobaron que es posible obteneruna corriente eléctrica a partir de un flujo magnético variable; a dichofenómeno se le llamó inducción electromagnética. Este descubrimiento,además de ser fundamental para el desarrollo del electromagnetismo,permitía, por primera vez, generar corriente sin depender de reaccionesquímicas, como las producidas en una pila.

Experimento de Faraday

Faraday construyó una bobina (carrete dealambre de cobre) y conectó los terminales a ungalvanómetro. Este instrumento detecta el pasode la corriente eléctrica y su aguja, ubicada en elcentro, puede girar hacia la izquierda o derecha,indicando el sentido de la corriente. En el interiorde la bobina, introdujo un imán de barra que hizoentrar y salir (ver figura). Faraday notó que laaguja del galvanómetro no se movía cuando elimán estaba en reposo en el interior de la bobina;sin embargo, se producía un golpe eléctrico alintroducir el imán y otro, en sentido contrario, alsacar el imán. El resultado fue que al introducir elimán se produce una diferencia de potencialeléctrico conocida como fuerza electromotriz ofem (). Esta diferencia de potencial genera ungolpe de corriente, cuya dirección depende delsentido del movimiento de este.La interpretación que dio Faraday a este experimentoes que la aparición de la corriente se debía a la variaciónen el nùmero de lìneas de campo magnètico quese producìa al mover el imàn.

2.1 Flujo magnético

El concepto de flujo lo introdujo el matemático y físico alemán Carl FriedrichGauss (1777-1855) y fue aplicado por Faraday para explicar los fenómenosde inducción a partir de los cambios que experimentaban las líneas de campomagnético. De esta manera, el flujo magnético corresponde al número delíneas de campo magnético que atraviesan una determinada superficie.

2.2 Fem inducida en un circuito

A partir de sus experimentos, Faraday demostró que si el flujo magnéticocambia bruscamente (por ejemplo, al mover un imán rápidamente), laintensidad de corriente inducida aumenta. Para cuantificar lo anterior,Faraday propuso una expresión que es conocida como ley de inducción oley de Faraday, que sostiene que la fem (fuerza electromotriz) inducida ()es proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético queatraviesa un circuito.

2.3 Sentido de la corriente inducida

En el año 1834, el físico estonio Heinrich Friedrich Lenz (1804-1865) logróformular una ley que permite predecir el sentido de la corriente inducida enuna espira conductora cuando se produce una variación del flujo magnéticoexterno a ella. La ley de Lenz está fundada en el principio de conservaciónde la energía y sostiene que: la fem inducida produce una corriente cuyosentido es tal que el campo magnético que genera se opone a la variacióndel flujo magnético que la provoca.Consideremos un imán que se mueve hacia una bobina. En este caso, el flujomagnético a través de la bobina aumenta y se induce una corriente cuyafinalidad es crear otro flujo magnético que se oponga al crecimiento delcampo externo.En el caso de que el imán se mueva alejándose de la bobina, ocurre elproceso inverso, es decir, la corriente adquiere un sentido contrario alanterior para apoyar el flujo magnético externo que se debilita.

2.4 Fuerza electromotriz inducida en un conductoren movimiento

Cuando un conductor recto se mueve en presenciade un campo magnético (ver figura), se induce unafem producto de la fuerza magnética que experimentanlas cargas dentro del conductor. Así, lascargas positivas experimentaran una fuerza haciaarriba, mientras que las cargas negativas experimentanuna fuerza hacia abajo. Esto produce la diferencia depotencial equivalente a la fem.

-

3. Aplicaciones de las leyes de Faraday y de Lenz

3.1 Generadores de corriente alternaCONCEPTOS CLAVE

Corriente continua (c. c.): es aquellaque se genera por una fem constante,como la entregada por una batería opila y cuya polaridad no cambia.Sinusoidalmente: que su comportamientoobedece a la funcióntrigonométrica y sen(x) .

El proceso de transformación de energíaes la que lleva a cabo un generador de corriente: los de corriente continuase llaman dínamos, y los de corriente alterna se llaman alternadores.

Los generadores de corriente alterna están compuestos básicamente poruna bobina que gira (rotor) en presencia de un campo magnético fijo yuniforme (estator), debido a la acción de un agente externo que dé origenal movimiento. Los terminales de la bobina se encuentran unidos a un parde anillos conductores en contacto con dos escobillas de carbón.El funcionamiento del generador de a. c. se basa en la inducciónelectromagnética definida por Faraday.

3.2 Transformadores

El dispositivo que se llamatransformador permite convertir una fem pequeña en una grande, oviceversa. En su forma más simple, este consta de dos alambres conductoresenrollados alrededor de un núcleo de hierro, como se observa en la figura.• La bobina conectada a la fuente de voltaje de entrada tiene N1 vueltasy se conoce como devanado primario o simplemente primario.• La otra bobina tiene N2 vueltas conectadas a un resistor de carga R,

se llama secundario.Los transformadores son una de aplicaciones más importantes de las leyesde Faraday y de Lenz y están presentes en la mayoría de los artefactosElectricos, como radios,televisores , refrigeradores.

Transmisión de energía eléctrica

Los transformadores son útiles en la transmisión de la energía eléctrica alargas distancias. Esto se debe a que son capaces de disminuir o aumentar elvoltaje de corriente alterna.Por razones económicas, la transmisión de energía eléctrica a grandesdistancia se realiza a un voltaje elevado y baja corriente, así se evitan laspérdidas en las líneas de transmisión por calor. En la estación generadora seeleva el voltaje; luego, se reduce en una estación de distribución, y finalmentese vuelve a reducir en los postes eléctricos. Esto se hace para ser llevado alos hogares, a las industrias, entre otros sectores. En nuestro país, el voltajedomiciliario es de 220 V.

Un sistema de transmisión de energíade una ciudad tiene la función de bajarel voltaje para poder ser distribuido alos hogares.

4. Inductancia

Cuando en una bobina circula corriente, se produce una oposición a lasvariaciones de ella. A la medida de dicha oposición se le denominainductancia.

4.1 Inductancia mutua

Cuando dos bobinas están unidas por un núcleo de hierro(ver figura), al producirse en la primera un cambio en lacorriente, la variación consecuente del campo magnéticoque genera produce una fuerza electromotriz en lasegunda, la que es proporcional a la tasa de cambio de flujomagnético que la atraviesa. Como el campo magnéticogenerado por la primera bobina es proporcional a lacorriente que circula por ella, entonces la fuerza electromotrizen la segunda bobina también será proporcional ala tasa de cambio de esta corriente .

4.2 Autoinductancia

Cuando por una bobina aislada pasa una corriente variableen el tiempo (ver ilustración), se produce un flujomagnético variable en su interior, lo que induce a la vezuna fem que se opone al cambio de flujo, y como lacorriente aumenta al pasar por la bobina, se produce elcrecimiento del flujo magnético, de modo que se generauna fem que se opone a la corriente y retarda su aumento.

4.3 Energía almacenada en una bobina

Del concepto de inductancia es posible determinar el valor de la energíaalmacenada en el campo magnético del inductor (bobina). Esta expresión es similar a la que se obtiene para la energía almacenada enel campo eléctrico de un condensador o capacitor. Para el caso de la bobina,la mayor parte de la energía es almacenada en su espacio interior (núcleo),y en ambas situaciones se requiere trabajo para establecer un campo.

Energía en una bobinaSobre una bobina cuya inductancia es de 3 x 10-3 H, circula una corriente de 0, 5 A. ¿Cuánta es la energíaque almacena la bobina?• Remplazando los valores en la ecuación de energía, resulta:Luego la energía almacenada en la bobina es de 3,75 x 10-4 J.para que la energía almacenada por ella sea de 0,05 J?

5. Circuito LC

El modelo más simple de un circuito de corriente alterna es aquel que seobtiene al conectar un condensador cargado de capacidad C(rojo) , y una bobinade inductancia L(amarillo). Estos circuitos se denominan circuitos oscilantes osimplemente LC. Suponiendo que la resistencia del circuito es despreciable,la corriente I y el voltaje V comienzan a oscilar indefinidamente, de modoque cuando I es máximo, V es nulo, y viceversa.

La suma(azul) de la energía almacenada por elcondensador y la bobina se mantieneconstante.

5.1 Equivalente mecánico de un circuito LC

El movimiento oscilatorio de un péndulo simple resulta ser una analogíadesde el punto de vista de la energía de un circuito LC, ya que lastransferencias de energía que ocurren en ambos casos son muy similares.

6. Circuito RLC

6.1 Comparación entre el circuito LC y RLCCOMPARANDO ENERGÍAS

La energía eléctrica en elcircuito LC permanece constante: en cambio, la energía eléctrica en el circuito RLC disminuye en el tiempo.

Ten presente que

En todo movimiento periódico,como el de un péndulo o lasoscilaciones de un circuito LC,existen dos tipos de frecuencias:la frecuencia propia (f) y lafrecuencia angular ();

7. Aplicaciones de los circuitos LC y RLC

El circuito LC tiene múltiples aplicaciones en la electrónica, al ser un circuitooscilador: puede ser empleado en circuitos digitales (relojes) y en identificadoresa distancia, como los utilizados en los controles de alarma de losautos.

Condensador variableMuchas radios y televisores tienen comoparte de sus componentes condensadoresvariables; estos son útiles parasintonizar determinadas frecuencias.

EVALUACIÓN

I. Desarrolla las siguientes preguntas en tu cuaderno

1. ¿Qué representa en el proceso de carga y descarga de un condensador?2. ¿Cómo definirías el flujo magnético?3. ¿De qué depende la fem inducida?4. ¿Cómo se produce el fenómeno de resonancia en un circuito RLC?5. Al lado de la bobina en un circuito LC se ubica una brújula. ¿Qué movimiento tendrá la agujade la brújula al circular corriente en él?