PPTCEL013FS11-A16V1 Clase Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética.

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1 PPTCEL013FS11-A16V1 Clase Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética

2 ENERGÍA ELÉCTRICA La rapidez con que se transforma es la Potencia eléctrica Que se expresa como Se disipa como calor debido al Efecto Joule Se calcula como Se genera en Centrales eléctricas Por medio de una Transformación de energía Que depende de la Resistencia eléctrica Resistencia eléctrica Si se hace nula el material es un Superconductor Que puede variar con la Temperatura Intensidad de corriente Resumen de la clase anterior

3 CAMPO MAGNÉTICO Características Generado por IMANES Poseen un polo norte y uno sur Capacidad para atraer o repeler a otros cuerpos, y al hierro Sus polos son inseparables Polos = se repelen Polos ≠ se atraen Polos = se repelen Polos ≠ se atraen Su polo norte magnético apunta (aproximadamente) hacia el norte geográfico Resumen de la clase anterior

4 Aprendizajes esperados Reconocer la relación entre corriente eléctrica y campo magnético. Comprender la fuerza magnética sobre una carga en movimiento. Aplicar las fuerzas magnéticas sobre un conductor. Aplicar el concepto de flujo magnético. Comprender las leyes de Faraday y Lenz. Comprender el funcionamiento del transformador como una de las principales aplicaciones del principio de inducción electromagnética. Aplicar los conceptos vistos a la solución de problemas.

5 Pregunta oficial PSU Un alambre recto muy largo conduce una corriente eléctrica constante que sale del papel, como se indica en la figura. El vector campo magnético en el punto P, producido por la corriente en el alambre, queda mejor representado por Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2016.

6 1. Campo magnético 2. Fuerza magnética 3. Inducción electromagnética 4. Flujo magnético Págs.: 157 - 174 Cap. 6

7 El efecto Oersted Cuando una corriente eléctrica circula a través de un conductor se genera alrededor de este un campo magnético. Este campo está formado por líneas de fuerza circulares y concéntricas con el conductor. En una espira Solenoide En una bobina (varias espiras juntas) En conductor rectilíneo Al circular corriente por la bobina el campo magnético se concentra y se hace homogéneo en su interior. El solenoide se comporta como un imán al que se denomina “electroimán”. 1.1 Campo magnético generado por una corriente eléctrica Pág. 157 Cap. 6 1. Campo magnético

8 El campo magnético es tangente a las líneas de campo y su magnitud se calcula mediante la siguiente expresión Constante de permeabilidad magnética en el vacío: 4π∙10 -7 [T∙m/A] Constante de permeabilidad magnética en el vacío: 4π∙10 -7 [T∙m/A] Unidades para el campo magnético: S.I.: tesla [T] C.G.S.: gauss [G] Observación: 1 [gauss] = 10 -4 [T] 1.1 Campo magnético generado por una corriente eléctrica Pág. 158 Cap. 6 1. Campo magnético

9 El sentido del campo magnético depende del sentido de circulación de la corriente en el conductor. Para determinarlo, se aplica la regla de Ampere, que establece que: “al situar el dedo pulgar de la mano derecha apuntando en el sentido de circulación de la corriente, los dedos restantes indican el sentido de las líneas de inducción y, en consecuencia, el del campo magnético”. 1.1 Campo magnético generado por una corriente eléctrica 1. Campo magnético

10 4. Si a una distancia de 10 -7 [m] de un conductor rectilíneo se percibe un campo magnético de 3 [G], ¿cuál es la intensidad de corriente que circula por dicho conductor? (Considere ) A)1,5 ∙ 10 -4 [A] B) 3 ∙ 10 -4 [A] C) 5 ∙ 10 -4 [A] D) 6 ∙ 10 -4 [A] E) 15 ∙ 10 -4 [A] Ejercicio Ejercicio 4 guía Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética A Aplicación

11 2. Fuerza magnética 2.1 Fuerza magnética sobre una carga en movimiento En una región del espacio en donde existe un campo magnético creado por un imán o una corriente eléctrica situamos una carga de prueba q. Si la carga comienza a moverse con una velocidad, experimenta una fuerza magnética. Esta fuerza tiene las siguientes características: es proporcional al valor de la carga q. es proporcional al módulo de la velocidad. su módulo depende del ángulo entre y. si es paralela a  la fuerza magnética es NULA. si es  a  la fuerza magnética es MÁXIMA. si es nula  la fuerza magnética es NULA. Pág. 159 Cap. 6

12 2. Fuerza magnética 2.1 Fuerza magnética sobre una carga en movimiento Hendrik Lorentz Esta fuerza se denomina fuerza de Lorentz Esta fuerza se denomina fuerza de Lorentz Unidades para la fuerza magnética S.I.: newton [N] C.G.S.: dina Donde la magnitud de la fuerza es: Ángulo entre y

13 2. Fuerza magnética 2.1 Fuerza magnética sobre una carga en movimiento Al actuar sobre una carga, el sentido y dirección de la fuerza de Lorentz están dados por la siguiente regla mnemotécnica, llamada “regla de la mano derecha”: La dirección de la fuerza magnética siempre es perpendicular a la velocidad y al campo magnético. Su valor es máximo cuando el ángulo entre y es 90°.

14 2. Fuerza magnética 2.1 Fuerza magnética sobre una carga en movimiento Si la carga q es POSITIVA, el sentido de la fuerza es el indicado por la regla de la mano derecha. Si la carga es NEGATIVA, el sentido de la fuerza es opuesto al indicado por la regla de la mano derecha.

15 Ejercicio 7. Dos partículas, q 1 con carga positiva y q 2 con carga negativa, se encuentran inmersas en campos magnéticos. En la situación 1 de la figura, se muestra el vector de campo magnético y la fuerza de Lorentz que actúa sobre la partícula q 1. En la situación 2, se muestra la fuerza de Lorentz sobre la partícula q 2 y su vector velocidad. Respecto de estas dos situaciones, y considerando que las fuerzas de Lorentz que actúan sobre las partículas son máximas, es correcto afirmar que I) en 1 el vector velocidad de la partícula es perpendicular a la página y apunta hacia afuera de ella. II) en 2 el vector de campo magnético es paralelo a la página y apunta hacia la derecha. III) en 1 el vector velocidad posee igual dirección y sentido que en la situación 2. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) Solo I y II E) Solo II y III Ejercicio 7 guía Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética E ASE

16 2. Fuerza magnética 2.2 Trayectoria de una carga Si la velocidad de una carga en movimiento es perpendicular al campo magnético, la carga describe una trayectoria circular de radio r y en sentido tal que se cumpla la regla de la mano derecha para una carga positiva o regla de la mano izquierda para una carga negativa. La fuerza magnética actúa como fuerza centrípeta, apuntando siempre hacia el centro de la circunferencia. Movimiento de una carga positiva Pág. 161 Cap. 6 En este caso el movimiento de la carga es en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj.

17 2. Fuerza magnética 2.3 Radio de la trayectoria de una carga Sin importar el signo de la carga, el radio r que describe la trayectoria circular se determina por la siguiente expresión m = masa de la carga. v = rapidez de la carga. q = magnitud de la carga eléctrica. B = campo magnético. m = masa de la carga. v = rapidez de la carga. q = magnitud de la carga eléctrica. B = campo magnético. Pág. 161 Cap. 6

18 Ejercicio 10. Una carga negativa q 1 ingresa a un campo magnético, tal como muestra la figura. Si la fuerza magnética sobre la partícula es máxima, esta describirá una trayectoria A) circular, en sentido de las manecillas del reloj. B) rectilínea, hacia la derecha. C) circular, en sentido contrario a las manecillas del reloj. D) rectilínea, hacia arriba. E) rectilínea, hacia abajo. Ejercicio 10 guía Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética A Comprensión

19 Dos conductores de largo (l), portando corrientes eléctricas y próximos entre sí, experimentan: Una fuerza ATRACTIVA cuando las corrientes tienen el mismo sentido. Una fuerza REPULSIVA si las corrientes tienen sentidos opuestos. i 2 = corriente en el conductor 2. L = largo del conductor. B 1 = campo magnético en el conductor 2 producto del conductor 1. i 2 = corriente en el conductor 2. L = largo del conductor. B 1 = campo magnético en el conductor 2 producto del conductor 1. 2.4 Fuerza entre conductores rectilíneos 2. Fuerza magnética Pág. 163 Cap. 6

20 Ejercicio 1. Se tienen dos alambres conductores paralelos, A y B, de 3 [m] de largo y separados una distancia R, por los cuales circula la misma intensidad de corriente. El conductor A experimenta una fuerza magnética de magnitud 0,9 [N], producto del campo magnético generado por el conductor B. Si el campo magnético que percibe el conductor A es de 300 [G], ¿cuál es la intensidad de corriente que circula por el conductor B? A) 0,1 [A] B) 0,9 [A] C) 1,0 [A] D) 9,0 [A] E) 10,0 [A] Ejercicio 1 guía Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética E Aplicación

21 3. Inducción electromagnética 3.1 El efecto Faraday - Henry Hans Christian Oersted descubrió que el magnetismo podía ser producido por una corriente eléctrica. Este descubrimiento llevó a los científicos de la época a preguntarse: ¿podrá un campo magnético generar una corriente eléctrica? Los científicos Michael Faraday y Joseph Henry descubrieron, de forma independientemente, que al existir movimiento entre una espira y un imán se generaba en la espira una corriente eléctrica, a la que se denominó “corriente inducida”. Faraday realizó su descubrimiento en el otoño de 1831, basándose en la realización de dos famosas experiencias. Primera experiencia de Faraday imán Movimiento del imán Corriente inducida Pág. 166 Cap. 6

22 3. Inducción electromagnética 3.1 El efecto Faraday - Henry Al acercar el imán a la bobina, aparece una corriente inducida durante el movimiento del imán. El sentido de la corriente inducida en la bobina se invierte si alejamos el imán. Con la bobina y el imán fijos, no observamos corriente inducida alguna. La intensidad de la corriente inducida depende de la velocidad con la que movemos el imán (o la bobina), de la intensidad del campo magnético del imán y del número de espiras de la bobina. Primera experiencia de Faraday

23 Segunda experiencia de Faraday Cada vez que se abre o cierra el interruptor del circuito primario, aparece en esta bobina un campo magnético variable que induce (genera) una corriente eléctrica en la bobina del circuito secundario, que se encuentra cercano. Este es el principio básico de funcionamiento del transformador. 3. Inducción electromagnética 3.1 El efecto Faraday - Henry

24 Segunda experiencia de Faraday 3. Inducción electromagnética 3.1 El efecto Faraday - Henry Al cerrar el interruptor se induce una corriente eléctrica en la segunda bobina. Las corrientes en las dos bobinas circulan en sentidos contrarios. Al desconectar el interruptor se induce nuevamente una corriente en el bobinado secundario, pero de sentido opuesto a la anterior. Se induce corriente en la segunda bobina solo al abrir o cerrar el interruptor del circuito primario, pero no mientras la corriente se mantenga circulando en la primera bobina. La inducción de corriente eléctrica se debe a campos magnéticos variables.

25 Ejercicio 3. Para la experiencia de la figura adjunta, se induce corriente en la espira cuando el imán I) se mueve entrando en la espira. II) se mueve saliendo de la espira. III) permanece en reposo dentro de la espira. Es (son) correcta(s) A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) I, II y III. Ejercicio 3 guía Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética D Comprensión

26 El flujo magnético corresponde al número de líneas de campo magnético que atraviesan una superficie. 4. Flujo magnético 4.1 Definición Unidad para el flujo magnético S.I.: [weber]= [T · m 2 ] Vector normal a la superficie Vector normal a la superficie Pág. 165 Cap. 6

27 Ejercicio 9. En una espira se tiene que el flujo magnético es, producto de un campo magnético actuando perpendicularmente a su área A. Si se triplica la intensidad del campo magnético y se disminuye el área de la espira en un tercio, entonces el flujo magnético A) disminuye en un tercio. B) disminuye a la mitad. C) se mantiene. D) se duplica. E) se triplica. Ejercicio 9 guía Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética D Aplicación

28 Sostiene que la f.e.m. inducida crea una corriente que siempre recorre el conductor en un sentido tal de producir un campo magnético cuyo flujo se opone a la variación flujo externo que la induce. 4. Flujo magnético 4.2 Ley de Lenz Unidad para la f.e.m. S.I.: volt [V] El signo menos indica la oposición de la f.e.m. inducida a la causa que la genera. Pág. 169 Cap. 6

29 El transformador es un dispositivo que permite aumentar o disminuir el voltaje de una corriente alterna. Está basado en el principio de inducción electromagnética, es decir, en la generación de corrientes inducidas mediante campos magnéticos variables. El voltaje inducido en la bobina secundaria podrá ser mayor o menor que en la bobina primaria, dependiendo de si la bobina secundaria posee más o menos espiras que la primaria. En un transformador, siempre se cumple que: 4. Flujo magnético 4.3 El transformador Bobina primaria Bobina secundaria Pág. 173 Cap. 6

30 Ejercicio 16. En un transformador la bobina primaria está compuesta por N vueltas y se conecta a una red de corriente alterna de 30 [V]. Si se sabe que la bobina secundaria tiene 12N vueltas, ¿cuál es el voltaje que entrega el transformador? A) 10 [V] B) 12 [V] C) 36 [V] D) 120 [V] E) 360 [V] Ejercicio 16 guía Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética E Aplicación

31 Pregunta oficial PSU Un alambre recto muy largo conduce una corriente eléctrica constante que sale del papel, como se indica en la figura. El vector campo magnético en el punto P, producido por la corriente en el alambre, queda mejor representado por Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2016. D Reconocimiento

32 Tabla de corrección ÍtemAlternativaUnidad temáticaHabilidad 1 E La electricidad Aplicación 2BLa electricidadASE 3DLa electricidadComprensión 4ALa electricidadAplicación 5CLa electricidad ASE 6 B La electricidad Aplicación 7ELa electricidad ASE 8ELa electricidad Reconocimiento 9 D La electricidad Aplicación 10ALa electricidad Comprensión

33 Tabla de corrección ÍtemAlternativaUnidad temáticaHabilidad 11 D La electricidad Comprensión 12DLa electricidad Reconocimiento 13ELa electricidad Comprensión 14DLa electricidad Aplicación 15CLa electricidad Aplicación 16 E La electricidad Aplicación 17DLa electricidad Reconocimiento 18CLa electricidad ASE 19 E La electricidad Aplicación 20ELa electricidadAplicación

34 Síntesis de la clase CAMPO MAGNÉTICO Al estar en contacto con Cargas en movimiento Movimiento circular Puede ser producido por Corriente eléctrica Variable Corriente alterna Ley de Lenz y Faraday Aplicación Transformador Si circula por dos conductores Fuerza de magnética En un conductor está formado por Líneas de campo circulares y concéntricas

35 Prepara tu próxima clase En la próxima sesión trabajaremos el Taller I

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37 Propiedad Intelectual Cpech RDA: 186414 ESTE MATERIAL SE ENCUENTRA PROTEGIDO POR EL REGISTRO DE PROPIEDAD INTELECTUAL. Equipo Editorial Área Ciencias: Física