Electricidad y Magnetismo.

Practicas de Laboratorio.

 

Generador de corriente alterna.

El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme.

El movimiento de rotación de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroeléctrica, o por un chorro de vapor en una central térmica. En el primer caso, una parte de la energía potencial agua embalsada se transforma en energía eléctrica; en el segundo caso, una parte de la energía química se transforma en energía eléctrica al quemar carbón u otro combustible fósil.

Cuando la espira gira, el flujo del campo magnético a través de la espira cambia con el tiempo. Se produce una fem. Los extremos de la espira se conectan a dos anillos que giran con la espira, tal como se ve en la figura. Las conexiones al circuito externo se hacen mediante escobillas estacionarias en contacto con los anillos.

figura 1

Si conectamos una bombilla al generador veremos que por el filamento de la bombilla circula una corriente que hace que se ponga incandescente, y emite tanta más luz cuanto mayor sea la velocidad con que gira la espira en el campo magnético.

Con este ejemplo, completamos las tres formas que hay de variar con el tiempo el flujo de un campo magnético a través de una espira, Φ = B·S, como producto escalar de dos vectores, el vector campo B y el vector superficie S.

  • Cuando el campo cambia con el tiempo.
  • Cuando el área de la espira cambia con el tiempo.
  • Cuando el ángulo entre el vector campo B y el vector superficie S cambia con el tiempo.(en este tema)

Ley de Faraday y ley de Lenz.

figura 2

Supongamos que la espira gira con velocidad angular constante ω. Al cabo de un cierto tiempo t el ángulo que forma el campo magnético y la perpendicular al plano de la espira es ωt. El flujo del campo magnético B a través de una espira de área S es:

Φ = B·S = B·S·cos(ωt)

La fem en la espira es:

formula 1

figura 3

La fem Ve varía sinusoidalmente con el tiempo, como se muestra en la figura. La fem alcanza su valor máximo en valor absoluto cuando ω t=π/2 ó 3π/2, cuando el flujo Φ es mínimo (el campo magnético está en el plano de la espira), y es nula cuando ω t=0 ó π, cuando el flujo es máximo (el campo magnético es perpendicular al plano de la espira).

Sentido de la corriente inducida.

Aplicando la ley de Lenz podemos determinar el sentido de la corriente inducida. El sentido viene determinado por el movimiento de portadores de cargas positivos representados por puntos rojos.

Fuerza sobre los portadores de carga.

El sentido de la corriente inducida lo podemos determinar a partir de la fuerza sobre un portador de carga positivo imaginariamente situado en el lado a de la espira.

Como ya hemos estudiado la fuerza fm que ejerce un campo magnético B sobre un portador de carga positivo que se mueve con velocidad Como ya hemos estudiado la fuerza fm que ejerce un campo magnético B sobre un portador de carga positivo que se mueve con velocidad v es el producto vectorial es el producto vectorial.

formula 2

En la figura, se ha dibujado el vector velocidad cuyo módulo es v = ω·b/2. y el vector campo B en la posición que ocupa un portador de carga positivo representado por un punto de color rojo.

figura 4 figura 5

Como v y B forman el ángulo ωt, el módulo de la fuerza es:

fm = qω(b/2)B·sen(ωt).

El campo En = fm/q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es:

En = ω(b/2)B·sen(ωt)

La fem Ve es:

formula 3

Como puede verse en la figura, En es paralelo a los lados de longitud a de la espira, pero es perpendicular a los lados de longitud b y por tanto, el producto escalar En·dl en estos dos lados es nulo.

El sentido de la corriente inducida es el mismo que el sentido de fm o de En (fuerza sobre la unidad de carga positiva).

Hemos obtenido la fem y el sentido de la corriente inducida por dos procedimientos distintos.

  • La ley de Faraday para obtener la fem y la ley de Lenz para determinar el sentido de la corriente inducida.
  • Y la fuerza sobre los portadores de carga positivos situados en la espira.

Actividades.

En el applet se representa una espira de dimensiones fijas b=10 y a=30 cm, en el seno de un campo magnético uniforme B.

Se introduce:

  1. La intensidad del campo magnético (un valor positivo o negativo en gauss), en el control de edición titulado Campo magnético.
  2. La velocidad angular de rotación ω(rad/s), un número entre 0 y 5 rad/s, en el control de edición titulado Velocidad angular.
  3. Se pulsa el botón titulado Empieza.

La espira comienza a girar. A la derecha del applet, tenemos una representación tridimensional, se dibujan el vector campo y el vector superficie y la corriente inducida mediante el movimiento de puntos rojos que representan a portadores de carga positivos. Podemos comprobar la ley de Lenz, es decir, el sentido de la corriente inducida cuando el flujo aumenta y cuando disminuye.

En la parte inferior izquierda del applet, tenemos la representación bidimensional del fenómeno. Se usan los símbolos habituales para representar una corriente entrante o saliente. En este caso se dibuja el vector campo magnético y el vector velocidad sobre un imaginario portador de carga positivo situado en cada uno de los lados de longitud a de la espira.

En la parte superior izquierda, se realiza una representación gráfica del flujo (en color azul) y de la fem en color rojo en función del tiempo. El tiempo que tarda la espira en dar una vuelta completa es P = 2π/ω.

El alumno puede dibujar sobre papel representaciones similares, calculando la fem en algunos instantes.

Ejemplo:

  • Dimensiones de la espira: a=30, b=20 cm.
  • Campo magnético B= 40 gauss = 0.004 T.
  • Velocidad angular de rotación ω = 1 rad/s.

En el instante t en el que ω t = π/2 la fem vale

Ve = 0.3·0.2·0.004·1·sen(π/2) = 240.0·10-6V

SolenoideApplet aparecerá en un explorador compatible JDK 1.1

Elaborado en: Enero del 2004 | Ultima actualización: Enero del 2005.