Liceo Las AméricasEntre LagosProf: Víctor Manuel Reyes Feest

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FÍSICANivel: Cuarto Año Medio

UNIDAD: “ Electricidad y magnetismo”GUÍA DE APRENDIZAJE N° 4

“Cicuito de corriente variable”

1) Carga y descarga de un condensador

El circuito RC es el que posee una resistencia (R) y un condensador (C). El esquema de la figura 31 permite estudiar el proceso de carga del

condensador. Si V 0es el voltaje que proporciona la batería, entonces al cerrar el interruptor S el voltímetro registra el voltaje del condensador: este

crece desde cero, primero rápidamente y luego lentamente acercándose al valor V 0, según lo ilustra el gráfico.

Un circuito semejante permite estudiar el proceso de descarga. El producto RC equivale al tiempo transcurrido hasta que las placas del

condensador lleguen a un voltaje aproximadamente igual al 37% de V 0.

2) Inducción electromagnética

Ya sabes que al acercar o alejar un imán a las espiras de una bobina, en ella se induce una corriente eléctrica. También sabes que ocurre lo mismo

si se mueve la espira respecto del imán o el imán respecto de la bobina. Este fenómeno, la inducción electromagnética, se puede describir en

términos de la variación del flujo magnético, que puede expresarse como:

Φ = BA cos (θ)

en que B es el módulo de la intensidad del campo magnético, A el área de una superficie y θ el ángulo que forman B y un vector perpendicular al

área.

La figura 32 ilustra el concepto de flujo de campo

magnético, que es semejante al flujo de agua en un

canal o cañería, con la diferencia de que en este

último caso la superficie es atravesada por agua y en

el que nos ocupa, por líneas de campo magnético.

Veamos un ejemplo para el caso fácil de imaginar

del agua. Si la velocidad de la corriente de agua es de 2mtsseg

, la superficie arbitrariamente escogida posee un área de 4 mts2 y forma un ángulo de

45º con la corriente; entonces, en analogía con la expresión V = Ed , tendremos que el flujo de agua es Φ = vA cos (θ). Es decir: Φ = (2mtsseg

)

(mts2) cos(45º) = 5,7 mts3

seg.

Si el ángulo θ es distinto de 90º, el flujo de campo magnético Φ es directamente proporcional al área A de la superficie que consideremos y a la

intensidad del campo magnético B existente en dicho espacio. Depende también del ángulo θ.

El flujo Φ cambia tanto si varía el campo magnético B, el área A, el ángulo θ o las tres magnitudes

simultáneamente. La figura 33 representa un caso importante: se trata de una espira conductora, por ejemplo de

cobre, inmersa en un lugar en que hay un campo magnético uniforme. La espira puede rotar alrededor del eje,

señalado con línea de puntos. El área escogida aquí es la definida por la espira. Al girar esta espira de alambre en

forma uniforme, cambia Φ desde el valor máximo BA,

hasta el valor mínimo –BA, pasando por el valor cero

cuando θ = 90º y cuando = 270º, casos que están

ilustrados en la figura 34.

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UNIDAD: “ Electricidad y magnetismo”

Como recordarás, en la espira se induce una corriente, como es el caso de la dínamo, es decir, en la espira aparece un voltaje designado por ε y

denominado fuerza electromotriz o fem.

Faraday llegó a la conclusión de que la fuerza electromotriz (o fem) ε inducida en los extremos de la bobina es directamente proporcional al número

de espiras N y a la rapidez de cambio del flujo, lo que se puede expresar matemáticamente como:

ε = −N ∆Φ∆ t

La fem inducida produce una corriente cuyo sentido es tal, que el campo magnético que genera se opone a la variación del flujo magnético que

atraviesa al circuito. Este hecho se conoce como ley de Lenz.

También existe una inducción mutua. Es la que, como se indica en la figura 35, produce una bobina sobre otra. Ella puede entenderse como la

corriente que se produce en una bobina 2, debido a la corriente variable en otra, la bobina 1. En este caso la fem inducida está dada por:

ε 2 = −M∆I 1∆ t

donde I 1 es la corriente en la bobina 1 y ε 2

, la fem inducida en la bobina 2. Es importante notar

que esta fem se induce solo si varía la corriente en la bobina 1. Es decir, si la corriente en la bobina

1 fuera estable, no ocurriría nada en la bobina 2.

La constante de proporcionalidad M se llama inductancia mutua. La unidad usada es el “henry”, en

honor al físico norteamericano Joseph Henry (1797-1879).

La autoinducción, en ca mbio, es la que se produce en una bobina debido al cambio de flujo

magnético producido por la variación de corriente en ella misma. En efecto, al cerrar el circuito en la

figura 36 se establece la corriente por la bobina, produciendo una fuerza electromotriz inducida.

Esta fuerza electromotriz recibe el nombre de fuerza contraelectromotriz, ya que se opone a la

corriente que trata de establecer la batería. Su magnitud es proporcional al cambio de la corriente con respecto al tiempo:

ε = −L ∆ I∆ t

L es la llamada autoinductancia o simplemente inductancia. Mientras la energía U que almacena una bobina por donde circula una corriente i es:

U = Li2

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Nuevamente encontramos aquí una expresión parecida a la de la energía cinética y una semejanza con los condensadores.

3. Circuitos de corriente alterna

A continuación estudiaremos uno de los más importantes circuitos: los constituidos por condensadores y bobinas, que denominamos circuito LC. La

Les por la inductancia de la bobina y la C por la capacidad del condensador. Ello nos permitirá comprender, entre otras cosas, la transmisión y

recepción de las ondas radiales. Como este tipo de circuito opera con corriente alterna, empezaremos por recordar algunas de las características de

este tipo de corriente.

a) Corriente alterna

Hay dispositivos que proporcionan corriente continua (CC), como por

ejemplo las pilas y baterías, las cuales tienen claramente especificados los

contactos positivos y negativos. El voltaje es estable, según se ilustra en la

figura 37. Hay otros que proporcionan corriente alterna (CA), en que la

polaridad carece de significado por cuanto está permanentemente

alternándose.

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UNIDAD: “ Electricidad y magnetismo”La corriente alterna es de gran importancia, entre otras cosas, porque nos proporciona la red eléctrica domiciliaria. Es aquella con la cual funcionan

habitualmente los transformadores y un gran número de dispositivos. Lo más frecuente es que posea forma sinusoidal, como la que se muestra en el

gráfico de la figura 38.

En el caso de la red domiciliaria en Chile, el voltaje de la fase (el contacto peligroso) varía de un voltaje máximo, de unos 310 volt, a uno mínimo, de

unos – 310 volt, cada 150

de segundo; es decir, posee una frecuencia de 50 hertz. Cuando se dice que el voltaje es de 220 volt se refiere al voltaje

efectivo, vale decir, a un voltaje continuo estable que produce en un resistor los

mismos efectos energéticos. Para identificar la fase hay detectores especiales que

encienden una luz de neón al cerrar el circuito a través de quien lo manipula, según

se indica en la figura 39.

b) Circuito LC

Este tipo de circuito se representa del modo que se indica en la figura 40. No representamos aquí la fuente de energía

que alimenta el circuito, y además supondremos despreciable la resistencia eléctrica de los conductores.

Si suponemos que inicialmente el condensador está cargado, entre las armaduras el campo eléctrico (E) será máximo

y tendrá toda la energía del sistema. La corriente en el circuito en tanto, será nula. Al empezar a descargarse, la

corriente circulará por la bobina y se inducirá en ella una fem que alcanzará su valor máximo cuando el condensador

esté descargado. En la bobina el campo magnético (B) será máximo mientras en el condensador el campo eléctrico

será nulo. En esta etapa la bobina tiene almacenada toda la energía del sistema. La energía pasará nuevamente al

condensador y así sucesivamente, con lo cual se establecerá en el circuito una corriente oscilante.

La analogía con un sistema mecánico que oscila, como por ejemplo un

péndulo, es completa. La energía potencial gravitatoria máxima del péndulo se

convierte en la energía cinética máxima cuando pasa por la posición más baja,

pero vuelve a subir y oscila indefinidamente si no hay disipación de energía por

efectos de roce. Observa la figura 41 con mucho cuidado advirtiendo lo que

ocurre con los campos eléctricos y magnéticos, con la carga eléctrica (Q) y la

corriente eléctrica (i), y compáralos con la altura h y velocidad v del péndulo.

Como sabes, el péndulo reduce su amplitud hasta detenerse por efectos del

roce. En el caso eléctrico, la disipación de energía se produce como

consecuencia de la resistencia eléctrica inevitable del circuito eléctrico. En los

circuitos que consideran la resistencia eléctrica, hablamos de circuitos RLC.

FUENTE: www.educarchile.cl

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