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Inducción electromagnética
Problema
2020 · Ordinaria · Reserva
2-b
Examen
b) Una bobina formada por 10001000 espiras circulares de 0,025 m0,025 \text{ m} de radio se encuentra dentro de un campo magnético variable con el tiempo de módulo: B(t)=1+0,5t0,2t2 (T)B(t) = 1 + 0,5t - 0,2t^2 \text{ (T)}. La dirección del campo forma un ángulo de 3030^{\circ} con el plano de las espiras. Calcule: i) El flujo magnético para t=2 st = 2 \text{ s}. ii) La fuerza electromotriz inducida para t=2 st = 2 \text{ s}.
Flujo magnéticoFuerza electromotriz inducidaLey de Faraday
b) i) El flujo magnético para t=2 st = 2 \text{ s}.

El área de una espira es:

A=πr2A = \pi r^2
A=π(0,025 m)2=0,000625π m21,96×103 m2A = \pi (0,025 \text{ m})^2 = 0,000625\pi \text{ m}^2 \approx 1,96 \times 10^{-3} \text{ m}^2

El campo magnético en t=2 st = 2 \text{ s} es:

B(t)=1+0,5t0,2t2B(t) = 1 + 0,5t - 0,2t^2
B(2)=1+0,5(2)0,2(2)2=1+10,2(4)=20,8=1,2 TB(2) = 1 + 0,5(2) - 0,2(2)^2 = 1 + 1 - 0,2(4) = 2 - 0,8 = 1,2 \text{ T}

El flujo magnético a través de una espira se define como Φ1=BAcosθ\Phi_1 = BA \cos\theta, donde θ\theta es el ángulo entre el vector campo magnético B\vec{B} y el vector normal al área A\vec{A}. Si el campo forma un ángulo de 3030^\circ con el plano de las espiras, el ángulo con la normal es θ=9030=60\theta = 90^\circ - 30^\circ = 60^\circ.El flujo magnético total a través de las NN espiras es:

Φtotal(t)=NB(t)Acosθ\Phi_{total}(t) = N B(t) A \cos\theta
\Phi_{total}(2) = 1000 \cdot (1,2 \text{ T}) \cdot (0,000625\pi \text{ m}^2) \cdot \cos(60^\circ)
Φtotal(2)=10001,20,000625π0,5=0,375π Wb\Phi_{total}(2) = 1000 \cdot 1,2 \cdot 0,000625\pi \cdot 0,5 = 0,375\pi \text{ Wb}
Φtotal(2)1,178 Wb\Phi_{total}(2) \approx 1,178 \text{ Wb}
b) ii) La fuerza electromotriz inducida para t=2 st = 2 \text{ s}.

Según la Ley de Faraday, la fuerza electromotriz inducida (fem) es:

E=dΦtotaldt=NAcosθdBdt\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_{total}}{dt} = -N A \cos\theta \frac{dB}{dt}

Calculamos la derivada del campo magnético respecto al tiempo:

dBdt=ddt(1+0,5t0,2t2)=0,50,4t (T/s)\frac{dB}{dt} = \frac{d}{dt}(1 + 0,5t - 0,2t^2) = 0,5 - 0,4t \text{ (T/s)}

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

dBdt(2)=0,50,4(2)=0,50,8=0,3 T/s\frac{dB}{dt}(2) = 0,5 - 0,4(2) = 0,5 - 0,8 = -0,3 \text{ T/s}

Ahora sustituimos los valores en la expresión de la fem inducida:

\mathcal{E}(2) = -1000 \cdot (0,000625\pi \text{ m}^2) \cdot \cos(60^\circ) \cdot (-0,3 \text{ T/s})
E(2)=10000,000625π0,5(0,3)\mathcal{E}(2) = -1000 \cdot 0,000625\pi \cdot 0,5 \cdot (-0,3)
E(2)=0,09375π V\mathcal{E}(2) = 0,09375\pi \text{ V}
E(2)0,295 V\mathcal{E}(2) \approx 0,295 \text{ V}