FísicaFácil1 pts

Inducción electromagnética

Castilla y León · 2023 · Julio
Enunciado
Una espira circular de 4 cm4\ \text{cm} de radio forma un ángulo de 45∘45^\circ con un campo magnético uniforme. Durante un intervalo de tiempo de 0,2 s0{,}2\ \text{s} el valor del campo magnético varía linealmente de 250 mT250\ \text{mT} a 310 mT310\ \text{mT}. Determine la expresión del flujo en función del tiempo y calcule la fuerza electromotriz inducida en la espira.
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Resultado
  Φ(t)=8,89⋅10−4+1,07⋅10−3 t  (Wb)∣ε∣=1,07⋅10−3 V  \boxed{\;\Phi(t) = 8{,}89\cdot 10^{-4} + 1{,}07\cdot 10^{-3}\,t\ \ (\text{Wb})\qquad |\varepsilon| = 1{,}07\cdot 10^{-3}\ \text{V}\;}
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Estrategia

El flujo a través de la espira es Φ=B Scos⁡θ\Phi = B\,S\cos\theta, con θ\theta el ángulo entre B⃗\vec B y el vector superficie (perpendicular al plano de la espira). Como BB crece linealmente, se escribe B(t)B(t) y el flujo queda lineal en tt; la ley de Faraday, ε=− dΦ/dt\varepsilon = -\,d\Phi/dt, da una f.e.m. constante.
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Desarrollo

Superficie y ángulo. Con r=0,04 mr = 0{,}04\ \text{m}:S=πr2=π⋅0,042=5,03⋅10−3 m2S = \pi r^2 = \pi\cdot 0{,}04^2 = 5{,}03\cdot 10^{-3}\ \text{m}^2Si el plano de la espira forma 45∘45^\circ con el campo, su normal forma 90∘−45∘=45∘90^\circ - 45^\circ = 45^\circ con él: en este caso las dos lecturas del ángulo dan lo mismo, θ=45∘\theta = 45^\circ.

Campo en función del tiempo. Varía linealmente de 0,250 T0{,}250\ \text{T} a 0,310 T0{,}310\ \text{T} en 0,2 s0{,}2\ \text{s}:ΔBΔt=0,310−0,2500,2=0,3 T/sB(t)=0,250+0,3 t  (T, con t en s)\frac{\Delta B}{\Delta t} = \frac{0{,}310 - 0{,}250}{0{,}2} = 0{,}3\ \text{T/s}\qquad B(t) = 0{,}250 + 0{,}3\,t\ \ (\text{T, con } t \text{ en s})Flujo.Φ(t)=B(t) Scos⁡45∘=(0,250+0,3 t)⋅5,03⋅10−3⋅0,707\Phi(t) = B(t)\,S\cos 45^\circ = (0{,}250 + 0{,}3\,t)\cdot 5{,}03\cdot 10^{-3}\cdot 0{,}707Φ(t)=8,89⋅10−4+1,07⋅10−3 t   (Wb),0≤t≤0,2 s\Phi(t) = 8{,}89\cdot 10^{-4} + 1{,}07\cdot 10^{-3}\,t\ \ \ (\text{Wb}),\qquad 0 \le t \le 0{,}2\ \text{s}Fuerza electromotriz. Ley de Faraday:ε=−dΦdt=−1,07⋅10−3 V\varepsilon = -\frac{d\Phi}{dt} = -1{,}07\cdot 10^{-3}\ \text{V}Es constante durante los 0,2 s0{,}2\ \text{s}, de valor 1,07 mV1{,}07\ \text{mV}. El signo menos (ley de Lenz) indica que la corriente inducida circula en el sentido que crea un campo opuesto al aumento del flujo.
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Consejo

En Φ=BScos⁡θ\Phi = BS\cos\theta, θ\theta es el ángulo entre B⃗\vec B y la normal a la espira, no el plano. Aquí da igual porque es 45∘45^\circ, pero con 30∘30^\circ el resultado cambiaría: lee bien a qué se refiere el ángulo y dilo en tu respuesta.
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