Aplicaciones de la inducción electromagnética

Aplicaciones de la inducción electromagnética A continuación se presentan algunos ejemplos de aplicaciones de la inducción electromagnética. Generadores electromagnéticos Aunque las baterías y las pilas producen electricidad, estas presentan ciertas limitaciones, ya que no sirven para aparatos eléctricos con un gran consumo energético, como la mayor parte de los electrodomésticos. En este caso, es necesario implementar el uso de alternadores y dinamos, cuya estructura se encuentra formada por un imán fijo y una bobina que gira en el campo magnético creado por el imán. • Alternador: Es un generador de corriente alterna. A medida que la bobina gira, se origina una variación de campo magnético y se genera una corriente eléctrica que cambia periódicamente de sentido. La corriente eléctrica generada se envía al exterior a través de un colector de dos anillos conectado a la bobina y unido a dos escobillas o contactos de salida. Su principal aplicación es en los generadores de las centrales eléctricas. • Dinamo: Su funcionamiento es similar al de un alternador, pero genera corriente continua. El colector está formado por un único anillo y, mediante un sistema mecánico sencill inducido. La fuerza electromotriz inducida que se genera en cada espira cambia de manera sinusoidal y se expresa como: ε=B⋅A⋅ω⋅sen(ω⋅t) La función seno toma como máximo valor la unidad, por lo que: εmax=B⋅A⋅ω Para el caso de que el inducido conste de N espiras iguales, el valor de la fuerza electromotriz máxima generada por el inducido es εmax=N⋅B⋅A⋅ω Si se unen los extremos del inducido a una resistencia R, y si se considera despreciable la resistencia propia del inducido, circulará una corriente I determinada por la ley de Ohm como: I= ε R = εmax R ⋅sen(ω⋅t) que en su punto máximo será igual a I= εmax R Transformadores Al observar las indicaciones técnicas de muchos aparatos eléctricos utilizados a diario, es posible encontrar que se especifica el voltaje al cual puede someterse para que funcione, es decir, el voltaje que tiene el generador del circuito. Los aparatos eléctricos que se conectan a la red eléctrica, reciben un voltaje residencial de 110 V suministrado por la compañía de energía eléctrica. Así mismo, ciertos aparatos que funcionan con un voltaje menor y una corriente continua, suministrada por las pilas, pueden conectarse a la red eléctrica y funcionar sin llegar a ocasionar algún daño en el aparato. Para tal efecto emplean la ayuda de un componente denominado transformador, que modifica y rectifica la corriente eléctrica. El transformador convierte la corriente de la red eléctrica en una corriente con menor diferencia de potencial y el rectificador convierte la corriente alterna en continua. Un transformador está compuesto de dos partes: el devanado primario (primera bobina) y el devanado secundario (segunda bobina), tal como se representa en la figura. Cuando circula corriente alterna por el primario, se induce una corriente alterna al secundario. Si el transformador es un reductor de voltaje, la cantidad de espiras en el primario será mayor que en el secundario, por lo cual la corriente inducida presentará un menor voltaje que el inicial. Pero, si el transformador es un elevador de voltaje, el secundario tendrá mayor cantidad de espiras y por tanto un mayor voltaje. La relación entre el voltaje proporcionado por el generador de la bobina primaria (V )₁ y el voltaje obtenido de la salida (V ) es: ₂, es V2 V1 = N2 N1 Según la ley de Faraday, la relación entre la fuerza electromotriz inducida y el número de espiras es: ε2 ε1 = N2 N1 Si suponemos que la resistencia del conductor es despreciable y por lo tanto el efecto Joule (calentamiento eléctrico) no se percibe, seguramente la potencia suministrada a la bobina primaria debe ser igual a la potencia suministrada a la bobina secundaria. Como la potencia eléctrica es P = I·V, se obtiene que: I 1⋅V1=I 2⋅V2 Síntesis de Maxwell A finales del siglo XVIII y durante el siglo XIX, los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron el quehacer diario de los físicos de la época. El uso del concepto de campo magnético y eléctrico solo se difundió una vez que James Clerk Maxwell demostró que todos los fenómenos eléctricos y magnéticos podían describirse y sintetizarse en tan solo cuatro ecuaciones: • La primera ecuación relaciona la carga y la distribución del campo magnético. Incluye la ley de Coulomb pero es más general, ya que abarca cargas en movimiento. Esta ecuación es la ley de Gauss: ΦE=∮ S E⃗⋅d ⃗A= Q ε0 • La segunda ecuación es la aplicación de la ley de Gauss al campo magnético que corrobora la inexistencia de monopolos magnéticos y establece que las distribuciones de fuentes magnéticas son siempre neutras en el sentido de que poseen un polo norte y un polo sur, por lo que su flujo a través de cualquier superficie cerrada es nulo: ΦB=∮ S ⃗B⋅d ⃗A=0 • La tercera ecuación corresponde a la ley de Faraday, en donde un campo eléctrico es producido por un campo magnético fluctuante. Se toma en cuenta que la existencia de fuerza electromotriz indica la existencia de un campo eléctrico. ε=− d ΦB dt ⇒ ∮⃗E⋅d⃗ℓ=− d dt∫ S ⃗B⋅d ⃗A • La cuarta ecuación es similar a la ley de Faraday pero aplicada al campo magnético, que determina que un campo magnético es producido por un campo eléctrico fluctuante y se conoce como ley de Ampére-Maxwell. Ampère formuló una relación para un campo magnético inmóvil y una corriente eléctrica que no varía en el tiempo. Maxwell corrigió esta ecuación para lograr adaptarla a campos no estacionarios de la siguiente manera: ∮ C ⃗B⋅d ⃗ℓ=μ0∫ S ⃗J⋅⃗A+μ0⋅ε0⋅ d dt∫ S ⃗E⋅d

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