FísicaFácil2 pts

Inducción electromagnética

Extremadura · 2018 · Junio · Opción B
Enunciado
Un alternador está formado por una bobina plana, formada por 40 espiras de 20 cm220\ \text{cm}^2 que gira con una frecuencia de 60 Hz en un campo magnético uniforme de 0,8 T. Calcula:

a) el flujo magnético que atraviesa la bobina en función del tiempo;

b) la fuerza electromotriz (fem) inducida máxima.

(Calificación de cada apartado: 1 punto).
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Resultado
  Φ(t)=6,4⋅10−2cos⁡(120π t) Wb  (1,6⋅10−3 Wb por espira)  \boxed{\;\Phi(t) = 6{,}4\cdot 10^{-2}\cos(120\pi\,t)\ \text{Wb}\ \ (1{,}6\cdot 10^{-3}\ \text{Wb por espira})\;}  εmaˊx=NBSω=24,1 V  \boxed{\;\varepsilon_{\text{máx}} = N B S\omega = 24{,}1\ \text{V}\;}
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Estrategia

Al girar la bobina, el ángulo entre el campo y el vector superficie cambia uniformemente, θ=ωt\theta = \omega t, y el flujo Φ=NBScos⁡θ\Phi = N B S\cos\theta varía como un coseno. La ley de Faraday, ε=−dΦ/dt\varepsilon = -d\Phi/dt, da una f.e.m. sinusoidal cuyo valor máximo es NBSωN B S\omega.
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Desarrollo

Pasamos los datos al SI:S=20 cm2=2⋅10−3 m2ω=2πf=2π⋅60=120π rad/s=377 rad/sS = 20\ \text{cm}^2 = 2\cdot 10^{-3}\ \text{m}^2\qquad \omega = 2\pi f = 2\pi\cdot 60 = 120\pi\ \text{rad/s} = 377\ \text{rad/s}a) Tomamos t=0t = 0 cuando el plano de la bobina es perpendicular al campo (vector superficie paralelo a B⃗\vec B, flujo máximo). El ángulo entre B⃗\vec B y S⃗\vec S es θ=ωt\theta = \omega t, y el flujo a través de cada espira es:Φ1=B Scos⁡(ωt)=0,8⋅2⋅10−3cos⁡(120π t)=1,6⋅10−3cos⁡(120π t) Wb\Phi_1 = B\,S\cos(\omega t) = 0{,}8\cdot 2\cdot 10^{-3}\cos(120\pi\,t) = 1{,}6\cdot 10^{-3}\cos(120\pi\,t)\ \text{Wb}El flujo total a través de las 40 espiras de la bobina es:Φ(t)=N B Scos⁡(ωt)=40⋅0,8⋅2⋅10−3cos⁡(120π t)=6,4⋅10−2cos⁡(120π t) Wb\Phi(t) = N\,B\,S\cos(\omega t) = 40\cdot 0{,}8\cdot 2\cdot 10^{-3}\cos(120\pi\,t) = 6{,}4\cdot 10^{-2}\cos(120\pi\,t)\ \text{Wb}b) Ley de Faraday:ε=−dΦdt=N B S ω sen(ωt)\varepsilon = -\frac{d\Phi}{dt} = N\,B\,S\,\omega\ \text{sen}(\omega t)La f.e.m. es alterna y su valor máximo es:εmaˊx=N B S ω=6,4⋅10−2⋅120π=24,1 V\varepsilon_{\text{máx}} = N\,B\,S\,\omega = 6{,}4\cdot 10^{-2}\cdot 120\pi = 24{,}1\ \text{V}Es máxima cuando el flujo pasa por cero (plano de la bobina paralelo al campo), que es cuando el flujo cambia más deprisa.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Pasa los cm2\text{cm}^2 a m2\text{m}^2 dividiendo entre 10410^4, no entre 100: es el error más frecuente en este problema.

Y usa ω=2πf\omega = 2\pi f: con la frecuencia sola la f.e.m. sale 2π2\pi veces menor.
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