Magnetismo y electromagnetismo

Un imán en movimiento puede generar corriente; una corriente puede generar movimiento. Cada motor, generador, central eléctrica y altavoz se relaciona con este tema. Esta referencia cubre Física AQA GCSE 8463, tema 4.7 Magnetismo y electromagnetismo.

Cómo trata este tema el examen:

• El papel 2 incluye este tema. La hoja adjunta contiene $F = BIl$ y las dos ecuaciones del transformador.
• La regla de la mano izquierda de Fleming, motores, altavoces, el efecto generador, alternadores/dínamos, micrófonos y transformadores son solo HT; todo desde 4.7.3 en adelante es también solo física.
• Debes dibujar patrones de campo: imán de barra, alambre recto, solenoide.

• Polos: donde la fuerza magnética es más fuerte.

Los polos iguales se repelen; los polos opuestos se atraen — una fuerza sin contacto.

• Un imán permanente produce su propio campo. Un imán inducido solo se convierte en imán mientras está en un campo — y el magnetismo inducido siempre atrae (pierde su magnetismo al retirarse).
• El campo magnético es la región donde actúa una fuerza sobre otro imán o material magnético (hierro, acero, cobalto, níquel). Un imán siempre atrae materiales magnéticos.
• El campo es más fuerte en los polos; la dirección = la fuerza sobre un polo norte en ese punto. Las líneas de campo van de norte → sur.
• Una brújula es un pequeño imán de barra; apunta a lo largo del campo terrestre — evidencia de que la Tierra tiene un campo magnético (su núcleo se comporta como un gran imán).

Trazado de un campo: coloca una pequeña brújula de trazado cerca del imán, marca los extremos de la aguja, mueve la brújula para que la cola quede sobre la última marca, repite y une los puntos. Los limaduras de hierro muestran todo el patrón de una vez.

Un alambre con corriente tiene un campo magnético a su alrededor (círculos concéntricos; agarre de la mano derecha — pulgar con la corriente, dedos curvándose con el campo). El campo es más fuerte con mayor corriente y más débil a mayor distancia del alambre.

Al doblar el alambre en un solenoide:

• Los campos de las vueltas se suman — el campo interior es fuerte y uniforme;
• por fuera, la forma coincide con la de un imán en barra;
• añadir un núcleo de hierro aumenta aún más la intensidad; esto constituye un electroimán.

Un electroimán puede encenderse y apagarse, y su fuerza se modifica con la corriente; por ello supera al imán permanente en vertederos de chatarra y relevadores.

Un conductor que transporta una corriente dentro de un campo magnético experimenta una fuerza (el efecto motor: el campo, el imán y el conductor se empujan mutuamente).

Regla de la mano izquierda de Fleming: pulgar = fuerza, dedo índice = campo (N→S), dedo medio = corriente; los tres perpendiculares entre sí.

• $F$ fuerza en newtons (N); $B$ densidad de flujo magnético en teslas (T); $I$ corriente en amperios (A); $l$ longitud del conductor dentro del campo, en metros (m).
• Mayor fuerza con: campo más intenso (mayor $B$), mayor corriente, conductor más largo dentro del campo. Fuerza máxima cuando el conductor está a ángulo recto respecto al campo.

Motor eléctrico: una bobina que porta corriente gira dentro de un campo porque sus dos lados experimentan fuerzas en direcciones opuestas.

Un conmutador de anillo dividido invierte la corriente cada media vuelta para mantener la rotación continua.

Altavoz (solo física): una corriente alterna que pasa por una bobina en un campo hace vibrar esta hacia adentro y afuera; el cono desplaza el aire generando variaciones de presión —ondas sonoras— cuya frecuencia coincide con la señal.

Si un conductor se mueve relativamente a un campo magnético, o si el campo que lo rodea varía, se induce una diferencia de potencial; si el circuito está cerrado, circula una corriente: este es el efecto generador.

• El propio campo de la corriente inducida se opone al cambio que la originó.
• Mayor d.p. inducida con: movimiento más rápido, campo más fuerte, mayor número de vueltas de cable. Dirección invertida con: movimiento inverso o polaridad de campo invertida.

Alternador (generador de ca): una bobina gira dentro de un campo; la d.p. inducida invierte su dirección cada media vuelta, por lo que la gráfica d.p.–tiempo es una onda periódica que cruza el cero.

Dinamo (cc): un conmutador de anillo dividido invierte las conexiones cada media vuelta, manteniendo la salida siempre positiva (gráfica con pulsos por encima de cero).

Micrófono: proceso inverso al del altavoz; las variaciones de presión sonora mueven una bobina dentro de un campo, induciendo una corriente variable que replica el sonido.

Un transformador: bobinas primaria y secundaria enrolladas sobre un núcleo de hierro (se magnetiza fácilmente; no se requieren laminaciones).

Una corriente alterna en la primaria genera un campo magnético variable en el núcleo; ese campo cambiante induce una da alternada en la secundaria.

• Elevador: $V_s > V_p$ (más vueltas en la secundaria). Reductor: $V_s < V_p$.
• La segunda ecuación es potencia de entrada = potencia de salida; úsela para calcular la corriente absorbida por la fuente de alimentación.

Ejemplo resuelto. Un transformador tiene 345 vueltas primarias y 6000 secundarias; la entrada es 230 V.

Ejemplo resuelto (potencia). Ese transformador suministra 50 mA a 4000 V.

• Potencia de salida: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W.
• Corriente de entrada: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A.

La historia de la Red Nacional cierra el ciclo: elevación antes de la transmisión (menor corriente → $P = I^2R$ pérdidas reducidas), reducción para los hogares (ver tema 2.7).

• Enuncie las reglas de los polos; diferencie entre imanes permanentes e inducidos.
• Dibuje patrones de campo de imán de barra, alambre recto y solenoide con direcciones; explique la relación brújula/Tierra.
• (HT) Use la regla de la mano izquierda de Fleming y $F = BIl$; explique el motor y el conmutador.
• (solo física, HT) Enuncie las condiciones del efecto generador y el campo inducido opuesto; diferencie entre gráficos de alternador y dinamo; explique el micrófono.
• (solo física, HT) Use ambas ecuaciones del transformador; explique la inducción entre bobinas y la ventaja de la Red eléctrica.