16.4.2: Simulación de ley de Faraday

En esta simulación se puede experimentar con la ley de Faraday. También se muestra una aplicación importante; un micrófono de bobina móvil. El flujo magnético se define como la cantidad de campo magnético que pasa a través de un área dada y tiene unidades de webers donde\(1\text{ Wb} = 1\text{ Tm}^{2}\). La definición técnica de la ley de Faraday dice que un flujo magnético cambiante (\(\phi\)) provoca una fuerza electromotriz (emf en voltios). Si hay un circuito, esa emf hará que la corriente fluya, al igual que una batería. Una segunda ley, la ley de Lenz, dice que el flujo de corriente estará en una dirección opuesta al cambio que indujo el flujo de corriente. La dirección de la corriente se muestra de dos maneras diferentes; una es por la flecha en el medidor que se une a la bobina. El otro es una flecha que aparece debajo de la bobina cuando fluye la corriente.

Preguntas de Simulación:

1. Ejecute la simulación y arrastre lentamente el imán hacia adelante y hacia atrás a través de la bobina. ¿Qué sucede con la emf (que se muestra en la gráfica y en el cuadro de abajo) cuando el polo norte del imán se mueve hacia la bobina? ¿De qué manera apunta la aguja en el medidor?
2. ¿Qué sucede con la CEM cuando el extremo norte del imán se aleja (hacia la derecha) de la bobina? ¿De qué manera apunta la aguja en este caso?
3. ¿Qué pasa con la CEM si el imán no se mueve?
4. Cuando el imán está cerca de la bobina pero no se mueve, el emf es cero. ¿Qué pasa con el flujo (\(\phi\))? Esta es la esencia de la ley de Faraday, el flujo tiene que cambiar para que ocurra un emf.
5. Elegir el botón de marcha atrás le permite arrastrar la bobina en lugar del imán. Ejecute la simulación después de hacer clic en el botón de retroceso. ¿Hace diferencia en las gráficas si mueves el imán o la bobina? Explique.
6. Ahora elige el botón de bobina y ejecuta la simulación. Como vimos anteriormente en este capítulo, una bobina con corriente que fluye en ella tendrá un campo magnético. ¿Hay alguna diferencia en el gráfico de CEM si arrastra una bobina portadora de corriente a través de la bobina estacionaria en lugar de un imán? Explique.
7. Ahora elige el botón del micrófono y ejecuta la simulación. Esta es una simulación de un micrófono de bobina móvil. En este tipo de micrófono se une una pequeña bobina a un diafragma flexible. Cuando las ondas sonoras golpean el diafragma, hace que la bobina vibre cerca de un imán estacionario. El flujo cambiante en la bobina hace que fluya una corriente debido a la ley de Faraday. Es esta corriente la que se amplifica y se envía a los altavoces o se graba en cinta o grabación digital (ver el siguiente capítulo). Se puede cambiar la frecuencia de las ondas sonoras. ¿Cómo afecta esto a la frecuencia de la CEM que se muestra en la gráfica?

Resumen

La ley de Ohm dice que el voltaje actúa como una especie de energía potencial que hará que la carga fluya si hay una trayectoria (un circuito). El número de cargas en un circuito permanece fijo pero transportan energía eléctrica que se convierte en otras formas útiles de energía (luz, calor, sonido, etc.) por componentes en el circuito (bombilla, tostador, estéreo). Las corrientes causan campos magnéticos. Si una corriente se encuentra en un campo magnético causado por alguna otra fuente (imán u otra corriente) sentirá una fuerza a menos que se mueva paralela al campo magnético. Esta es la base de un motor eléctrico. La ley de Faraday dice que un campo magnético cambiante a través de un área (o equivalentemente, un área cambiante con campo constante) causará un voltaje. Este es el mecanismo detrás de generadores eléctricos, tarjetas de crédito, detectores de metales, discos duros de computadora, etc.

Preguntas sobre la Ley de Faraday:

1. ¿Por qué es más difícil girar una bobina generadora cuando está generando electricidad que cuando no lo hace?
2. Un imán que cae a través de un tubo de cobre estrecho disminuirá la velocidad, aunque el cobre no sea magnético (su instructor puede haberlo demostrado en clase). Explique por qué sucede esto.
3. ¿Tu auto quema más gasolina cuando haces funcionar las luces delanteras que si las luces están apagadas?
4. Cuando desliza una tarjeta de crédito, el lector obtiene información de una tira en el reverso de la tarjeta. Explique cómo funciona eso.
5. La mayoría de los semáforos están conectados por un pequeño chip de computadora a un cable incrustado en la carretera que detecta la presencia de un automóvil. ¿Cómo funciona esto?
6. Los detectores de metales en la seguridad aeroportuaria pueden detectar metales no magnéticos como el aluminio. Explique cómo funciona eso.
7. La información está contenida en el disco duro de su computadora como una serie de pequeños campos magnéticos (los discos duros tienen partículas de hierro incrustadas en ellos para que se puedan magnetizar diferentes regiones). El cabezal de lectura consiste en una pequeña bobina de alambre que se encuentra muy cerca del disco y se puede mover para llegar a diferentes partes del disco. Explique cómo el cabezal de lectura detecta la información. ¿Funcionaría esto si el disco no estuviera girando?
8. Explicar cómo funciona un generador.
9. ¿Cuál es la diferencia entre un motor eléctrico y un generador eléctrico?
10. ¿Por qué los transformadores no funcionan con corriente continua (CC)?
11. ¿Por qué se transmite la potencia a altos voltajes (y baja corriente) a largas distancias?
12. ¿Cuál es la ley de Faraday?
13. Un transformador con\(10\) giros en el primario y\(100\) giros en el secundario convertirá una tensión de CA de\(5\text{ V}\) a\(50\text{ V}\). Explique por qué esto no contradice la conservación de la energía.
14. Una pastilla para una guitarra eléctrica consiste en una pequeña bobina metálica de alambre envuelta alrededor de un imán. Debido a la ley de Faraday, la corriente se induce en la bobina si cambia el campo magnético cerca de la pastilla. ¿Este tipo de pastilla funcionará con cuerdas de nylon u otras, no metálicas? Explique.
15. Supongamos que una cuerda de metal está vibrando\(100\text{ Hz}\) delante de la pastilla descrita en la pregunta anterior. ¿Qué frecuencia tendrá la corriente inducida en la bobina como resultado de la ley de Faraday?