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Inducción electromagnética
Teoría
2021 · Extraordinaria · Reserva
B.1-a
Examen

Una espira circular gira con velocidad angular constante alrededor de uno de sus diámetros en una región del espacio en la que existe un campo magnético uniforme y constante perpendicular al eje de giro.

i) Deduzca de forma razonada la expresión del flujo magnético que atraviesa la espira en función del tiempo.ii) Deduzca de forma razonada la expresión de la fuerza electromotriz inducida en la espira en función del tiempo.
flujo magnéticofuerza electromotrizespira circular
i) Deduzca de forma razonada la expresión del flujo magnético que atraviesa la espira en función del tiempo.

El flujo magnético ΦB\Phi_B que atraviesa una espira se define como el producto escalar del vector campo magnético B\vec{B} y el vector área A\vec{A} de la espira. Para un campo magnético uniforme y una espira plana, se expresa como:

ΦB=BA=BAcosθ\Phi_B = \vec{B} \cdot \vec{A} = B A \cos\theta

Donde BB es la magnitud del campo magnético, AA es el área de la espira y θ\theta es el ángulo entre el vector campo magnético B\vec{B} y el vector normal a la superficie de la espira A\vec{A}.Dado que la espira es circular de radio RR, su área es A=πR2A = \pi R^2. Como la espira gira con velocidad angular constante ω\omega alrededor de uno de sus diámetros, el vector normal a la superficie de la espira A\vec{A} cambia su orientación con el tiempo. El problema establece que el campo magnético es perpendicular al eje de giro.Si asumimos que en el instante inicial (t=0t=0) el vector área A\vec{A} es paralelo al campo magnético B\vec{B} (es decir, el ángulo θ=0\theta=0, lo que corresponde al flujo magnético máximo a través de la espira), entonces el ángulo θ\theta en un instante posterior tt debido a la rotación será θ(t)=ωt\theta(t) = \omega t.Sustituyendo esto en la expresión del flujo magnético:

ΦB(t)=BAcos(ωt)\Phi_B(t) = B A \cos(\omega t)

Sustituyendo el área de la espira (A=πR2A = \pi R^2):

ΦB(t)=B(πR2)cos(ωt)\Phi_B(t) = B (\pi R^2) \cos(\omega t)
ii) Deduzca de forma razonada la expresión de la fuerza electromotriz inducida en la espira en función del tiempo.

Según la Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética, la fuerza electromotriz (fem) inducida E\mathcal{E} en una espira es igual a la variación temporal negativa del flujo magnético que la atraviesa:

E=dΦBdt\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}

Sustituyendo la expresión del flujo magnético obtenida en el apartado anterior:

E(t)=ddt[B(πR2)cos(ωt)]\mathcal{E}(t) = -\frac{d}{dt} [B (\pi R^2) \cos(\omega t)]

Dado que BB, π\pi y R2R^2 son constantes, se pueden sacar de la derivada:

E(t)=BπR2ddt[cos(ωt)]\mathcal{E}(t) = -B \pi R^2 \frac{d}{dt} [\cos(\omega t)]

La derivada de cos(ωt)\cos(\omega t) con respecto al tiempo es ωsin(ωt)-\omega \sin(\omega t):

E(t)=BπR2(ωsin(ωt))\mathcal{E}(t) = -B \pi R^2 (-\omega \sin(\omega t))

Simplificando, obtenemos la expresión de la fuerza electromotriz inducida:

E(t)=BπR2ωsin(ωt)\mathcal{E}(t) = B \pi R^2 \omega \sin(\omega t)

Alternativamente, utilizando A=πR2A = \pi R^2, la expresión es:

E(t)=BAωsin(ωt)\mathcal{E}(t) = B A \omega \sin(\omega t)