Magnetismo a corriente alterna
Un imán se mueve y aparece corriente en un cable a kilómetros de distancia. Esta sección construye esa cadena: imanes permanentes y patrones de campo, efecto magnético de la corriente, fuerza motriz con su regla de la mano izquierda, inducción en bobinas y generadores, y (P) los transformadores que transportan energía eléctrica a través de un país.
Edexcel International GCSE Física 4PH1, Sección 6 (declaraciones 6.1–6.20P). Las declaraciones con sufijo P son la extensión exclusiva de Física.
Magnetismo
Los imanes repelen polos iguales y atraen polos opuestos, además de atraer materiales magnéticos (hierro, acero, níquel, cobalto). Los materiales magnéticamente duros (acero) conservan su magnetismo —imanes permanentes; los blandos (hierro) se magnetizan y desmagnetizan fácilmente —núcleos de electroimanes. Las líneas de campo van de N a S fuera del imán (nunca se cruzan); el magnetismo se induce en un material magnético colocado en un campo. Dos polos opuestos enfrentados generan un campo uniforme entre ellos.
Electromagnetismo y el efecto motor
Una corriente en un conductor crea un campo magnético a su alrededor — círculos concéntricos, regla de la mano derecha para agarre. (P) Electroimanes: una bobina (solenoide) alrededor de un núcleo de hierro blando, conmutables y ajustables. (P) Patrones de campo para un alambre recto, una bobina plana y un solenoide.
Un alambre que transporta corriente a través de un campo magnético experimenta una fuerza — el efecto motor, utilizado en motores de c.c. (bobina rotatoria + colector) y altavoces. Prediga la dirección con la regla de la mano izquierda: primer dedo Campo, seGundo dedo Corriente, pulGar Movimiento. La fuerza aumenta con campos más intensos y mayor corriente, e invierte si cualquiera de ellos se invierte.
Inducción electromagnética
Se induce un voltaje en un conductor o bobina cuando se mueve a través de un campo magnético o cuando el campo a través de él cambia. El voltaje inducido es mayor con movimientos más rápidos, un campo más fuerte, más vueltas y (para generadores) rotación más rápida. Generadores rotan un imán dentro de una bobina (o una bobina dentro de un imán) — el tamaño y la frecuencia del c.a. inducido siguen la rotación.
(P) Los transformadores cambian un voltaje alterno usando dos bobinas sobre un núcleo de hierro:
Los transformadores elevadores aumentan el voltaje (y reducen la corriente) para la transmisión — alto voltaje significa baja corriente, por lo que hay mucha menos energía perdida como calor en los cables; los transformadores reductores lo bajan nuevamente a niveles seguros para su uso.
Ejemplo resuelto. Un transformador tiene 200 vueltas primarias y 50 vueltas secundarias; el primario es 230 V. $V_s = 230 \times 50/200 = 57.5$ V — un reductor. Si la corriente primaria es 0.5 A: $I_s = 230 \times 0.5/57.5 = 2.0$ A.
Compruébalo tú mismo
- Enuncie dos diferencias entre materiales magnéticamente duros y blandos.
- ¿En qué dirección apuntan las líneas de campo fuera de un imán?
- Describa cómo producir un campo magnético uniforme con dos imanes en barra.
- ¿Qué crea una corriente en un alambre a su alrededor?
- Enuncie los tres dedos de la regla de la mano izquierda.
- Nombren dos factores que aumentan la fuerza sobre un alambre con corriente en un campo.
- Enuncien dos formas de inducir un voltaje en una bobina.
- Nombren dos factores que aumentan el tamaño de un voltaje inducido.
- (P) Un transformador reductor tiene 1000 primarios y 100 secundarios; entrada 230 V. Calcule la salida.
- (P) ¿Por qué se transmite la electricidad a alto voltaje?
Respuestas: 1 el acero mantiene su magnetismo (imanes permanentes); el hierro lo pierde fácilmente (temporal, núcleos de electroimán); 2 de N a S; 3 colocar los polos N y S enfrentados con una separación — las líneas de campo paralelas entre ellos son uniformes; 4 un campo magnético de círculos concéntricos (regla del agarre); 5 primer dedo Campo, segundo dedo Corriente, pulgar Movimiento; 6 campo más fuerte; mayor corriente.
Respuestas continuadas: 7 mover la bobina o el imán para que la bobina corte líneas de campo, o cambiar el campo a través de una bobina estacionaria; 8 movimiento más rápido; imán más fuerte; más vueltas; 9 (P) $V_s = 230 \times 100/1000 = 23$ V; 10 (P) alto voltaje da baja corriente para la misma potencia; el calentamiento del cable es $I^2R$, por lo que las pérdidas disminuyen drásticamente en largas distancias.