FísicaFácil2 pts

Inducción electromagnética

Extremadura · 2020 · Junio
Enunciado
Una bobina compuesta por 200 espiras circulares de 20 cm20\ \text{cm} de diámetro gira con una frecuencia de 50 Hz50\ \text{Hz} en un campo magnético uniforme de 0,2 T0{,}2\ \text{T}. Determine:

a) La expresión del flujo magnético que atraviesa dicha bobina, en función del tiempo.

b) La fuerza electromotriz inducida máxima.

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Resultado
  Φ(t)=1,26cos⁡(100πt) Wb  \boxed{\;\Phi(t) = 1{,}26\cos(100\pi t)\ \text{Wb}\;}  εmaˊx=NBSω=395 V  \boxed{\;\varepsilon_{\text{máx}} = N B S\omega = 395\ \text{V}\;}
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Estrategia

Al girar, el ángulo entre el campo y el vector superficie de las espiras cambia como θ=ωt\theta = \omega t, así que el flujo varía de forma sinusoidal: Φ=NBScos⁡(ωt)\Phi = N B S\cos(\omega t). La ley de Faraday da la f.e.m. como menos la derivada del flujo, y su valor máximo es NBSωN B S \omega.
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Desarrollo

Datos en el SI: radio de cada espira R=0,10 mR = 0{,}10\ \text{m}, así queS=πR2=π⋅0,102=3,14⋅10−2 m2S = \pi R^2 = \pi\cdot 0{,}10^2 = 3{,}14\cdot 10^{-2}\ \text{m}^2ω=2πf=2π⋅50=100π rad/s=314 rad/s\omega = 2\pi f = 2\pi\cdot 50 = 100\pi\ \text{rad/s} = 314\ \text{rad/s}a) El flujo a través de una espira es Φ1=B⃗⋅S⃗=B Scos⁡θ\Phi_1 = \vec B\cdot\vec S = B\,S\cos\theta, donde θ\theta es el ángulo entre B⃗\vec B y el vector superficie. Como la bobina gira con velocidad angular constante, θ=ωt\theta = \omega t (tomando θ=0\theta = 0 en t=0t = 0, con el plano de las espiras perpendicular al campo). Para las NN espiras:Φ(t)=N B Scos⁡(ωt)=200⋅0,2⋅3,14⋅10−2cos⁡(100πt)\Phi(t) = N\,B\,S\cos(\omega t) = 200\cdot 0{,}2\cdot 3{,}14\cdot 10^{-2}\cos(100\pi t)Φ(t)=1,26cos⁡(100πt) Wb\Phi(t) = 1{,}26\cos(100\pi t)\ \text{Wb}(Por cada espira, el flujo es 6,28⋅10−3cos⁡(100πt) Wb6{,}28\cdot 10^{-3}\cos(100\pi t)\ \text{Wb}; el de toda la bobina es 200 veces mayor.)

b) Por la ley de Faraday:ε=−dΦdt=N B S ω sen(ωt)\varepsilon = -\frac{d\Phi}{dt} = N\,B\,S\,\omega\,\text{sen}(\omega t)El valor máximo se alcanza cuando sen(ωt)=±1\text{sen}(\omega t) = \pm 1, es decir, cuando el plano de las espiras es paralelo al campo y el flujo es nulo (es cuando más rápido cambia):εmaˊx=N B S ω=1,257⋅314,2=395 V\varepsilon_{\text{máx}} = N\,B\,S\,\omega = 1{,}257\cdot 314{,}2 = 395\ \text{V}
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3

Consejo

El dato es el diámetro: el radio es la mitad, 10 cm10\ \text{cm}. Usar el diámetro multiplica la superficie, el flujo y la f.e.m. por cuatro.

Y no olvides el factor NN: el flujo de la bobina y su f.e.m. son los de una espira multiplicados por el número de espiras.
Paso 1 de 3
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