FísicaFácil2 pts

Inducción electromagnética

Castilla y León · 2025 · Junio
Enunciado
Consideremos una bobina de 200200 espiras circulares de 5 cm5\ \text{cm} de radio, situadas en un plano horizontal. Un campo magnético uniforme de 2⋅10−6 T2\cdot 10^{-6}\ \text{T} atraviesa de abajo hacia arriba la bobina formando un ángulo de 30∘30^\circ con la vertical.

a) (1 punto) Determine el flujo magnético a través de la bobina.

b) (1 punto) A continuación, se invierte el sentido del campo magnético, empleando 0,05 s0{,}05\ \text{s} en el proceso. Calcule la fuerza electromotriz inducida en la bobina suponiendo que la variación del campo con el tiempo se ha llevado a cabo de forma lineal.
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Resultado
  Φ=2,72⋅10−6 Wb  (1,36⋅10−8 Wb por espira)  \boxed{\;\Phi = 2{,}72\cdot 10^{-6}\ \text{Wb}\ \ (1{,}36\cdot 10^{-8}\ \text{Wb por espira})\;}  ε=1,09⋅10−4 V  \boxed{\;\varepsilon = 1{,}09\cdot 10^{-4}\ \text{V}\;}
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Estrategia

El flujo a través de una espira es Φ=BScos⁡θ\Phi = BS\cos\theta, con θ\theta el ángulo entre el campo y el vector superficie (perpendicular a la espira). Como las espiras son horizontales, su vector superficie es vertical, y el ángulo que da el enunciado es justamente θ\theta. Para la bobina se multiplica por el número de espiras.

Al invertir el campo, el flujo pasa de +Φ+\Phi a −Φ-\Phi; si el cambio es lineal, la f.e.m. es constante y vale, por la ley de Faraday, ε=−ΔΦ/Δt\varepsilon = -\Delta\Phi/\Delta t.
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Desarrollo

Superficie de cada espira, con r=5 cm=0,05 mr = 5\ \text{cm} = 0{,}05\ \text{m}:S=πr2=π⋅(0,05)2=7,85⋅10−3 m2S = \pi r^2 = \pi\cdot(0{,}05)^2 = 7{,}85\cdot 10^{-3}\ \text{m}^2a) Tomamos el vector superficie vertical y hacia arriba. El campo forma θ=30∘\theta = 30^\circ con él. El flujo a través de una espira es:Φ1=B Scos⁡θ=2⋅10−6⋅7,854⋅10−3⋅cos⁡30∘=1,36⋅10−8 Wb\Phi_1 = B\,S\cos\theta = 2\cdot 10^{-6}\cdot 7{,}854\cdot 10^{-3}\cdot\cos 30^\circ = 1{,}36\cdot 10^{-8}\ \text{Wb}y a través de las N=200N = 200 espiras de la bobina:Φ=N B Scos⁡θ=200⋅1,360⋅10−8=2,72⋅10−6 Wb\Phi = N\,B\,S\cos\theta = 200\cdot 1{,}360\cdot 10^{-8} = 2{,}72\cdot 10^{-6}\ \text{Wb}b) Al invertir el sentido del campo, el ángulo con el vector superficie pasa a ser 180∘−30∘=150∘180^\circ - 30^\circ = 150^\circ y el flujo cambia de signo:Φf=N B Scos⁡150∘=−2,72⋅10−6 WbΔΦ=Φf−Φi=−2 Φ=−5,44⋅10−6 Wb\Phi_f = N\,B\,S\cos 150^\circ = -2{,}72\cdot 10^{-6}\ \text{Wb}\qquad \Delta\Phi = \Phi_f - \Phi_i = -2\,\Phi = -5{,}44\cdot 10^{-6}\ \text{Wb}Como el campo varía linealmente con el tiempo, el flujo también, y la f.e.m. inducida es constante durante los 0,05 s0{,}05\ \text{s}. Por la ley de Faraday (el NN ya está incluido en Φ\Phi):ε=−ΔΦΔt=−−5,441⋅10−60,05=1,09⋅10−4 V\varepsilon = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} = -\frac{-5{,}441\cdot 10^{-6}}{0{,}05} = 1{,}09\cdot 10^{-4}\ \text{V}El signo positivo indica, con el convenio tomado (superficie hacia arriba), que la corriente inducida circula de forma que crea un campo hacia arriba: se opone a la disminución del flujo, como exige la ley de Lenz.
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Consejo

Mira siempre qué ángulo da el enunciado: el del flujo es el que forma B⃗\vec B con la perpendicular a la espira. Aquí las espiras son horizontales y el ángulo es con la vertical, así que va directo al coseno; si lo dieran con el plano, sería el seno.

Invertir el campo no deja el flujo en cero, lo cambia de signo: la variación es el doble del flujo.
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