Interacción electromagnética: esquemas y actividades

Esquemas y actividades

CAMPO ELÉCTRICO

Llamamos campo eléctrico a la perturbación que un cuerpo provoca en el espacio que lo rodea por el hecho de tener carga.

Potencial eléctrico

El potencial eléctrico en un punto del espacio es el trabajo que se realiza cuando la unidad de carga positiva se traslada desde dicho punto hasta el infinito. La unidad de potencial eléctrico en el SI es el voltio (V).

Si se traslada una carga q de A a B el trabajo realizado será:

W=q(V_A-V_B)

Signo del trabajo

• Trabajo positivo: La carga se desplaza por acción de las fuerzas del campo eléctrico. Sucede cuando se separan dos cargas del mismo signo o se acercan dos de signo contrario.
• Trabajo negativo: La carga se desplaza por acción de una fuerza exterior al campo eléctrico. Sucede cuando se acercan dos cargas del mismo signo o se separan dos de signo contrario.

Líneas de campo

Las líneas de campo son las trayectorias que seguiría la unidad de carga positiva en libertad dentro del campo eléctrico.

Carga puntual positiva	Carga puntual negativa
Dos cargas puntuales de diferente signo	Dos cargas puntuales del mismo signo (positivas)

Fuente de las imágenes

Superficies equipotenciales

CAMPO MAGNÉTICO

Experiencia de Oersted

Esta experiencia puso de manifiesto que electricidad y magnetismo están estrechamente relacionados.

Oersted  observó que la aguja magnética se desvía siempre que pase una corriente por un cable cercano. Oersted llegó a la conclusión de que una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético. Si por el cable no circula corriente la aguja indica su habitual dirección norte. Al hacer pasar una corriente la aguja tiende a orientarse en la dirección perpendicular a ésta. La desviación es mayor cuando aumenta la intensidad de la corriente.

Representación del campo magnético

En cada punto del espacio el vector inducción magnética B, es tangente a las líneas de inducción y tienen el mismo sentido que éstas.

La densidad de las líneas de inducción magnética en una región es proporcional al módulo de B.

Las líneas de inducción son cerradas, no tienen ni principio ni fin.

El ciclotrón 

Ir a la entrada específica para estudiar el ciclotrón.

El ciclotrón es un dispositivo para acelerar partículas subatómicas.

La máquina tiene dos cámaras de vacío huecas, llamadas des con una rendija entre ellas (su forma es la de dos D mayúsculas opuestas entre sí) perpendiculares a un campo magnético uniforme.

Entre las D se aplica una diferencia de potencial de modo que una partícula cargada liberada en el centro del ciclotrón es acelerada de una D a la otra, donde el campo magnético hace que tenga una trayectoria semicircular (fuerza de Lorentz).

En el momento que sale de la D la diferencia de potencial cambia de polaridad y la carga se vuelve a acelerar. Esto se repite hasta que la carga sale del acelerador. En cada paso por la rendija la partícula se acelera y en cada D va aumentando el radio de la trayectoria hasta que sale del ciclotrón.

La diferencia de potencial debe variar en un intervalo de tiempo igual a T/2.

Espectrómetro de masas

Es un instrumento de laboratorio usado para analizar la proporción de los distintos isótopos de un elemento separando los átomos ionizados en función de su relación masa-carga.

Se producen los iones del elemento en la cámara de ionización (todos los iones tienen la misma carga), se aceleran mediante un campo eléctrico  y se desvían mediante un campo magnético perpendicular a su velocidad. Los iones impactan en una pantalla tras describir una semicircunferencia cuyo radio depende de la masa del ion  (R=mv/qB). Un detector cuenta los iones de cada tipo.

animación

Fuerza magnética sobre un conductor rectilíneo

Una espira rectangular por la que circula una corriente eléctrica experimenta un par de fuerzas al situarse en un campo magnético. En este efecto se basan los motores eléctricos.

Campo magnético creado por un conductor rectilíneo

Magnetismo terrestre

El núcleo terrestre es una esfera de fluido metálico pero hacia el centro tiene una esfera sólida llamada núcleo interno. Los principales componentes del núcleo son el hierro y el níquel. El fluido que rodea al núcleo interno se mueve y podría ser el responsable del origen del campo magnético terrestre.

El núcleo interno irradia continuamente un calor intenso hacia afuera, a través de las diversas capas concéntricas que forman la porción sólida del planeta. Se cree que la fuente de este calor es la energía liberada por la desintegración del uranio y otros elementos radiactivos.

El movimiento fluido en el núcleo exterior de la Tierra mueve el material conductor (hierro líquido) a través de un campo magnético débil, que ya existe, y genera una corriente eléctrica (el calor del decaimiento radiactivo en el núcleo induce el movimiento convectivo). La corriente eléctrica produce un campo magnético que también interactúa con el movimiento del fluido para crear un campo magnético secundario. Juntos, ambos campos son más intensos que el original.

Así se forman las auroras.

Así se forman las auroras: pic.twitter.com/3fQY0uw9kw

— CSIC (@CSIC) 5 de enero de 2017

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Primera experiencia de Faraday

Si se acerca un imán a una bobina aparece una corriente inducida. El sentido de la corriente inducida en la bobina se invierte al alejar el imán. Con la bobina y el imán fijos no hay corriente inducida.

Segunda experiencia de Faraday

Se dispone de dos bobinas enrolladas alrededor de una barra de hierro. Se conecta la primera a una batería con un interruptor. Al conectar el interruptor se induce corriente en la segunda bobina. Las corrientes en las dos bobinas circulan en sentidos contrarios. El sentido de la corriente se invierte al desconectar el interruptor. Si la intensidad de corriente en la primera bobina es constante no se induce corriente.

 

https://www3.gobiernodecanarias.org/medusa/ecoblog/mramrodp/files/2014/04/5975_MODELOS-DE-EJERCICIOS-DE-LA-LEY-DE-FARADAY-LENZ.pdf

Inducción electromagnética

Aparición de una corriente eléctrica en un circuito cuando varía el número de líneas de inducción magnética que lo atraviesa.

Experiencia de Henry

Experiencia de Henry

Experiencia de Henry

 

Si un conductor de longitud l se mueve perpendicularmente a un campo magnético se origina una ddp entre los extremos del conductor.

 

 

 

Al mover el alambre en la dirección opuesta se invierte la dirección de la fuerza electromotriz inducida.

 

 

Motores y alternadores

En su forma más simple un generador de corriente alterna consta de una espira que gira, por algún medio externo, en el interior de un campo magnético.
A medida que la espira gira, el flujo magnético a través de ella cambia con el tiempo, originándose una fem inducida y, si existe un circuito externo, circulará una corriente.
Los extremos de la espira están conectados a unos anillos colectores que giran con ella.
La fem inducida varía con la espira de forma sinusoidal.

Contenidos

• 1. Definición de campo eléctrico a partir de las magnitudes que lo caracterizan: Intensidad del campo y potencial eléctrico.
• 2. Descripción del efecto del campo sobre una partícula testigo a partir de la fuerza que actúa sobre ella y la energía potencial asociada a su posición relativa.
• 3. Cálculo del campo eléctrico creado por distribuciones sencillas (esfera, plano) mediante la Ley de Gauss y haciendo uso del concepto de flujo del campo eléctrico.
• 4. Aplicación del equilibrio electrostático para explicar la ausencia de campo eléctrico en el interior de los conductores y asociarlo a casos concretos de la vida cotidiana.
• 5. Analogías y diferencias entre los campos conservativos gravitatorio y eléctrico.
• 1. Identificación de fenómenos magnéticos básicos como imanes y el campo gravitatorio terrestre.
• 2. Cálculo de fuerzas sobre cargas en movimiento dentro de campos magnéticos: Ley de Lorentz.
• 3. Análisis de las fuerzas que aparecen sobre conductores rectilíneos.
• 5. Justificación de la definición internacional de amperio a través de la interacción entre corrientes rectilíneas paralelas.
• 6. Analogías y diferencias entre los diferentes campos conservativos (gravitatorio y eléctrico) y no conservativos (magnético).
• 1. Explicación del concepto de flujo magnético y su relación con la inducción electromagnética.
• 2. Reproducción de las experiencias de Faraday y Henry y deducción de las leyes de Faraday y Lenz.
• 3. Cálculo de la fuerza electromotriz inducida en un circuito y estimación del sentido de la corriente eléctrica.
• 4. Descripción de las aplicaciones de la inducción para la generación de corriente alterna, corriente continua, motores eléctricos y transformadores.
• 5. Valoración del impacto ambiental de la producción de la energía eléctrica y de la importancia de las energías renovables en Canarias, apreciando aspectos científicos, técnicos, económicos y sociales.

Estándares de aprendizaje evaluables (en azul los correspondientes a la matriz de especificaciones da la EBAU)

• 18. Relaciona los conceptos de fuerza y campo, estableciendo la relación entre intensidad del campo eléctrico y carga eléctrica.
• 19. Utiliza el principio de superposición para el cálculo de campos y potenciales eléctricos creados por una distribución de cargas puntuales.
• 20. Representa gráficamente el campo creado por una carga puntual, incluyendo las líneas de campo y las superficies de energía equipotencial
• 21. Compara los campos eléctrico y gravitatorio estableciendo analogías y diferencias entre ellos.
• 22. Analiza cualitativamente la trayectoria de una carga situada en el seno de un campo generado por una distribución de cargas, a partir de la fuerza neta que se ejerce sobre ella.
• 23. Calcula el trabajo necesario para transportar una carga entre dos puntos de un campo eléctrico creado por una o más cargas puntuales a partir de la diferencia de potencial.
• 24. Predice el trabajo que se realizará sobre una carga que se mueve en una superficie de energía equipotencial y lo discute en el contexto de campos conservativos.
• 25. Calcula el flujo del campo eléctrico a partir de la carga que lo crea y la superficie que atraviesan las líneas del campo.
• 26. Determina el campo eléctrico creado por una esfera cargada aplicando el teorema de Gauss.
• 27. Explica el efecto de la Jaula de Faraday utilizando el principio de equilibrio electrostático y lo reconoce en situaciones cotidianas como el mal funcionamiento de los móviles en ciertos edificios o el efecto de los rayos eléctricos en los aviones.
• 28. Describe el movimiento que realiza una carga cuando penetra en una región donde existe un campo magnético y analiza casos prácticos concretos como los espectrómetros de masas y los aceleradores de partículas.
• 29. Relaciona las cargas en movimiento con la creación de campos magnéticos y describe las líneas del campo magnético que crea una corriente eléctrica rectilínea.
• 30. Calcula el radio de la órbita que describe una partícula cargada cuando penetra con una velocidad determinada en un campo magnético conocido aplicando la fuerza de Lorentz.
• 31. Utiliza aplicaciones virtuales interactivas para comprender el funcionamiento de un ciclotrón y calcula la frecuencia propia de la carga cuando se mueve en su interior.
• 32. Establece la relación que debe existir entre el campo magnético y el campo eléctrico para que una partícula cargada se mueva con movimiento rectilíneo uniforme aplicando la ley fundamental de la dinámica y la ley de Lorentz.
• 33. Analiza el campo eléctrico y el campo magnético desde el punto de vista energético teniendo en cuenta los conceptos de fuerza central y campo conservativo.
• 34. Establece, en un punto dado del espacio, el campo magnético resultante debido a dos o más conductores rectilíneos por los que circulan corrientes eléctricas.
• 35. Caracteriza el campo magnético creado por una espira y por un conjunto de espiras.
• 36. Analiza y calcula la fuerza que se establece entre dos conductores paralelos, según el sentido de la corriente que los recorra, realizando el diagrama correspondiente.
• 37. Justifica la definición de amperio a partir de la fuerza que se establece entre dos conductores rectilíneos y paralelos.
• 38. Determina el campo que crea una corriente rectilínea de carga aplicando la ley de Ampère y lo expresa en unidades del Sistema Internacional.
• 39. Establece el flujo magnético que atraviesa una espira que se encuentra en el seno de un campo magnético y lo expresa en unidades del Sistema Internacional.
• 40. Calcula la fuerza electromotriz inducida en un circuito y estima la dirección de la corriente eléctrica aplicando las leyes de Faraday y Lenz.
• 41. Emplea aplicaciones virtuales interactivas para reproducir las experiencias de Faraday y Henry y deduce experimentalmente las leyes de Faraday y Lenz. 42. Demuestra el carácter periódico de la corriente alterna en un alternador a partir de la representación gráfica de la fuerza electromotriz inducida en función del tiempo.
• 42. Demuestra el carácter periódico de la corriente alterna en un alternador a partir de la representación gráfica de la fuerza electromotriz inducida en función del tiempo
• 43. Infiere la producción de corriente alterna en un alternador teniendo en cuenta las leyes de la inducción.