FísicaFácil1 pts

Inducción electromagnética

Castilla y León · 2024 · Julio
Enunciado
Una espira cuadrada de 20 cm20\ \text{cm} de lado se encuentra situada perpendicularmente a un campo magnético uniforme cuyo módulo varía con el tiempo de la forma B=0,2cos⁡(5π⋅t)B = 0{,}2\cos(5\pi\cdot t) (S.I.). Calcule el valor de la fuerza electromotriz inducida en los instantes en los que el flujo es máximo y en los que se anula.
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Resultado
  Φ maˊximo: ε=0Φ=0: ∣ε∣=0,126 V  \boxed{\;\Phi\ \text{máximo}:\ \varepsilon = 0\qquad \Phi = 0:\ |\varepsilon| = 0{,}126\ \text{V}\;}
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Estrategia

Con la espira perpendicular al campo, el vector superficie es paralelo a B⃗\vec B y el flujo es Φ=B S\Phi = B\,S. La ley de Faraday da la f.e.m. como menos la derivada del flujo: si el flujo va como un coseno, la f.e.m. va como un seno, desfasada un cuarto de periodo. Por eso la f.e.m. es nula cuando el flujo es máximo y máxima cuando el flujo se anula.
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Desarrollo

Superficie de la espira: S=(0,20 m)2=0,04 m2S = (0{,}20\ \text{m})^2 = 0{,}04\ \text{m}^2.

Flujo magnético (B⃗\vec B paralelo a S⃗\vec S, cos⁡0∘=1\cos 0^\circ = 1):Φ(t)=B S=0,2⋅0,04 cos⁡(5πt)=8⋅10−3cos⁡(5πt) Wb\Phi(t) = B\,S = 0{,}2\cdot 0{,}04\,\cos(5\pi t) = 8\cdot 10^{-3}\cos(5\pi t)\ \text{Wb}Ley de Faraday:ε=−dΦdt=8⋅10−3⋅5π sen(5πt)=0,126 sen(5πt) V\varepsilon = -\frac{d\Phi}{dt} = 8\cdot 10^{-3}\cdot 5\pi\,\text{sen}(5\pi t) = 0{,}126\,\text{sen}(5\pi t)\ \text{V}Flujo máximo: ∣cos⁡(5πt)∣=1|\cos(5\pi t)| = 1, es decir, 5πt=nπ5\pi t = n\pi, t=0; 0,2; 0,4 s…t = 0;\ 0{,}2;\ 0{,}4\ \text{s}\dots En esos instantes sen(5πt)=0\text{sen}(5\pi t) = 0:ε=0\varepsilon = 0Flujo nulo: cos⁡(5πt)=0\cos(5\pi t) = 0, es decir, 5πt=π/2+nπ5\pi t = \pi/2 + n\pi, t=0,1; 0,3; 0,5 s…t = 0{,}1;\ 0{,}3;\ 0{,}5\ \text{s}\dots En esos instantes ∣sen(5πt)∣=1|\text{sen}(5\pi t)| = 1 y la f.e.m. alcanza su valor máximo:∣ε∣=0,04π=0,126 V|\varepsilon| = 0{,}04\pi = 0{,}126\ \text{V}con signo alterno (+0,126 V+0{,}126\ \text{V} en t=0,1 st = 0{,}1\ \text{s}, −0,126 V-0{,}126\ \text{V} en t=0,3 st = 0{,}3\ \text{s}…). Lo que induce corriente no es que haya mucho flujo, sino que cambie deprisa, y el coseno cambia más deprisa al pasar por cero.
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Consejo

No confundas «mucho flujo» con «mucha f.e.m.»: la f.e.m. depende de la rapidez con que cambia el flujo. Deriva siempre la expresión y busca dónde se anula la derivada.
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