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Inducción electromagnética
Problema
2025 · Extraordinaria · Reserva
B-b1
Examen

Una bobina formada por 10001000 espiras circulares de 2,5 cm2,5 \text{ cm} de radio se encuentra dentro de un campo magnético variable con el tiempo de módulo: B(t)=1+0,5t−0,2t2 (SI)B(t) = 1 + 0,5t - 0,2t^2 \text{ (SI)}. La dirección del campo forma un ángulo de 60∘60^\circ con el plano de las espiras. Calcule razonadamente:

i) El flujo magnético para t=2 st = 2 \text{ s}.ii) La fuerza electromotriz inducida, en valor absoluto, para t=2 st = 2 \text{ s}.
Ley de FaradayFlujo magnéticoFuerza electromotriz
i) El flujo magnético para t=2 st = 2 \text{ s}.

Primero, identificamos los datos proporcionados:Número de espiras, N=1000N = 1000 Radio de las espiras, r=2,5 cm=0,025 mr = 2,5 \text{ cm} = 0,025 \text{ m} Campo magnético en función del tiempo, B(t)=1+0,5t−0,2t2 (SI)B(t) = 1 + 0,5t - 0,2t^2 \text{ (SI)} Ángulo entre la dirección del campo y el plano de las espiras, α=60∘\alpha = 60^\circ. El ángulo θ\theta entre el vector campo magnético B⃗\vec{B} y el vector normal a la superficie A⃗\vec{A} es complementario a α\alpha: θ=90∘−60∘=30∘\theta = 90^\circ - 60^\circ = 30^\circ.Calculamos el área de una espira:

A=πr2=π(0,025 m)2=1,963×10−3 m2A = \pi r^2 = \pi (0,025 \text{ m})^2 = 1,963 \times 10^{-3} \text{ m}^2

Calculamos el módulo del campo magnético en el instante t=2 st = 2 \text{ s}:

B(2)=1+0,5(2)−0,2(2)2=1+1−0,2(4)=2−0,8=1,2 TB(2) = 1 + 0,5(2) - 0,2(2)^2 = 1 + 1 - 0,2(4) = 2 - 0,8 = 1,2 \text{ T}

La expresión general para el flujo magnético a través de NN espiras es:

Φ=NBAcos⁡θ\Phi = N B A \cos\theta

Sustituimos los valores para t=2 st = 2 \text{ s}:

Φ=1000⋅(1,2 T)⋅(1,963×10−3 m2)⋅cos⁡(30∘)\Phi = 1000 \cdot (1,2 \text{ T}) \cdot (1,963 \times 10^{-3} \text{ m}^2) \cdot \cos(30^\circ)
Φ=1000⋅1,2⋅1,963×10−3⋅0,866=2,037 Wb\Phi = 1000 \cdot 1,2 \cdot 1,963 \times 10^{-3} \cdot 0,866 = 2,037 \text{ Wb}
ii) La fuerza electromotriz inducida, en valor absoluto, para t=2 st = 2 \text{ s}.

Según la Ley de Faraday-Lenz, la fuerza electromotriz inducida (FEM) se calcula como la derivada temporal negativa del flujo magnético:

ε=−dΦdt\varepsilon = -\frac{d\Phi}{dt}

Primero, escribimos la expresión del flujo magnético en función del tiempo:

Φ(t)=NAcos⁡θ⋅B(t)\Phi(t) = N A \cos\theta \cdot B(t)
Φ(t)=(1000⋅1,963×10−3 m2⋅cos⁡(30∘))⋅(1+0,5t−0,2t2)\Phi(t) = (1000 \cdot 1,963 \times 10^{-3} \text{ m}^2 \cdot \cos(30^\circ)) \cdot (1 + 0,5t - 0,2t^2)
Φ(t)=(1000⋅1,963×10−3⋅0,866)⋅(1+0,5t−0,2t2)\Phi(t) = (1000 \cdot 1,963 \times 10^{-3} \cdot 0,866) \cdot (1 + 0,5t - 0,2t^2)
Φ(t)=1,700⋅(1+0,5t−0,2t2) Wb\Phi(t) = 1,700 \cdot (1 + 0,5t - 0,2t^2) \text{ Wb}

Ahora derivamos Φ(t)\Phi(t) con respecto al tiempo:

dΦdt=1,700⋅ddt(1+0,5t−0,2t2)\frac{d\Phi}{dt} = 1,700 \cdot \frac{d}{dt}(1 + 0,5t - 0,2t^2)
dΦdt=1,700⋅(0,5−0,4t) Wb/s\frac{d\Phi}{dt} = 1,700 \cdot (0,5 - 0,4t) \text{ Wb/s}

Evaluamos esta derivada en t=2 st = 2 \text{ s}:

dΦdt∣t=2=1,700⋅(0,5−0,4(2))\frac{d\Phi}{dt}\Big|_{t=2} = 1,700 \cdot (0,5 - 0,4(2))
dΦdt∣t=2=1,700⋅(0,5−0,8)=1,700⋅(−0,3)=−0,510 Wb/s\frac{d\Phi}{dt}\Big|_{t=2} = 1,700 \cdot (0,5 - 0,8) = 1,700 \cdot (-0,3) = -0,510 \text{ Wb/s}

Finalmente, calculamos la fuerza electromotriz inducida:

ε=−dΦdt=−(−0,510 V)=0,510 V\varepsilon = -\frac{d\Phi}{dt} = -(-0,510 \text{ V}) = 0,510 \text{ V}

El valor absoluto de la fuerza electromotriz inducida es:

∣ε∣=0,510 V|\varepsilon| = 0,510 \text{ V}