FísicaFácil1 pts

Inducción electromagnética

Castilla y León · 2024 · Junio
Enunciado
Una bobina rectangular de 100 espiras, de dimensiones 10 cm×15 cm10\ \text{cm}\times 15\ \text{cm}, gira a 2000 rpm2000\ \text{rpm} alrededor de un eje contenido en el plano de la bobina y perpendicular a un campo magnético uniforme de 0,8 T0{,}8\ \text{T}. Determine la expresión del flujo en función del tiempo y la fem máxima que es capaz de suministrar la bobina.
Bobina rectangular de varias espiras, en posición vertical, que gira con velocidad angular ω alrededor de un eje vertical discontinuo contenido en su plano. Una flecha horizontal B, perpendicular al plano de la bobina en el instante dibujado, representa el campo magnético.
Bobina rectangular de varias espiras, en posición vertical, que gira con velocidad angular ω alrededor de un eje vertical discontinuo contenido en su plano. Una flecha horizontal B, perpendicular al plano de la bobina en el instante dibujado, representa el campo magnético.
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Resultado
  Φ(t)=1,2cos⁡(200π3 t)≈1,2cos⁡(209 t) Wb  \boxed{\;\Phi(t) = 1{,}2\cos\left(\tfrac{200\pi}{3}\,t\right) \approx 1{,}2\cos(209\,t)\ \text{Wb}\;}  εmax⁡=NBSω=251 V  \boxed{\;\varepsilon_{\max} = NBS\omega = 251\ \text{V}\;}
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Estrategia

Al girar la bobina, el ángulo entre el campo y el vector superficie cambia con el tiempo, θ=ωt\theta = \omega t, y el flujo varía como un coseno: Φ=NBScos⁡(ωt)\Phi = NBS\cos(\omega t). Por la ley de Faraday, la fem es menos la derivada del flujo, una función seno cuya amplitud es la fem máxima, εmax⁡=NBSω\varepsilon_{\max} = NBS\omega.
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Desarrollo

Datos en el SI:S=0,10⋅0,15=1,5⋅10−2 m2ω=2000 revmin⋅2π rad1 rev⋅1 min60 s=200π3=209 rad/sS = 0{,}10\cdot 0{,}15 = 1{,}5\cdot 10^{-2}\ \text{m}^2\qquad \omega = 2000\ \frac{\text{rev}}{\text{min}}\cdot\frac{2\pi\ \text{rad}}{1\ \text{rev}}\cdot\frac{1\ \text{min}}{60\ \text{s}} = \frac{200\pi}{3} = 209\ \text{rad/s}Flujo. Tomamos t=0t = 0 en el instante de la figura, con el campo perpendicular al plano de la bobina (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 las NN espiras es:Φ(t)=NBScos⁡(ωt)=100⋅0,8⋅1,5⋅10−2cos⁡(200π3 t)\Phi(t) = N B S\cos(\omega t) = 100\cdot 0{,}8\cdot 1{,}5\cdot 10^{-2}\cos\left(\frac{200\pi}{3}\,t\right)Φ(t)=1,2cos⁡(209 t) Wb(t en s)\Phi(t) = 1{,}2\cos\left(209\,t\right)\ \text{Wb}\qquad (t \text{ en s})(cada espira lleva un flujo máximo de 0,012 Wb0{,}012\ \text{Wb}; si se tomara t=0t = 0 con el plano de la bobina paralelo al campo, saldría un seno en vez de un coseno).

Fem inducida. Por la ley de Faraday:ε(t)=−dΦdt=NBS ω sen(ωt)\varepsilon(t) = -\frac{d\Phi}{dt} = N B S\,\omega\,\text{sen}(\omega t)y su valor máximo es la amplitud:εmax⁡=NBS ω=1,2⋅200π3=251 V\varepsilon_{\max} = N B S\,\omega = 1{,}2\cdot\frac{200\pi}{3} = 251\ \text{V}Se alcanza cuando el plano de la bobina es paralelo al campo, que es cuando el flujo pasa por cero y cambia más deprisa.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Pasa siempre las rpm a rad/s: multiplica por 2π2\pi y divide entre 60. Usar 2000 o la frecuencia en Hz en lugar de ω\omega es el fallo más común.

No olvides el factor NN: el flujo que cuenta en la ley de Faraday es el de todas las espiras.
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