Fuerza Electromotriz
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Sumario
La unidad cgs de la fuerza electromotriz y el voltio
Métodos para producir una fuerza electromotriz
Todas las grandes centrales hidroelécticas y térmicas producen fem por inducción electromagnética. Cuando se requieren grandes cantidades de energía, el coste de la energía eléctrica obtenida utilizando la inducción electromagnética es muy inferior al de la obtenida por acción química en cualquiera de las baterías construidas.
Se produce una fem por acción térmica cuando se calienta dos soldaduras de dos materiales distiintos, y se denomina par termoeléctrico al dispositivo quie produce una fem por este procedimiento. La fem que produce un par termoeléctrico es muy pequeña para poderla utilizar con fines energéticos, pero los pares termoeléctricos son muy útliles como como instrumentos de medida.
Inducción Electromagnética
Cuando se mueve un conductor en un campo magnético, en dirección tal que corte las líneas de fuerza, se engendra o induce en el conductor una fem, según se indica en la figura 1. N y S son los polos de un imán y V es un dispositivo cualquiera que permita indicar la existencia de una fem o corriente, como por ejemplo un amperímetro, una desviación de la aguja indica que está pasando corriente y demuestra, por consiguiente, la existencia de una fem, puesto que no circulará corriente sin una fem que la impulse. Si se invierte el sentido de la corriente, la aguja se desviará en sentido opuesto, de modo que el amperímetro indica tanto el sentido como la magnitud de la corriente.
Si el conductor de la figura 1 se mueve hacia abajo a través del campo magnético, se engendra en el conductor una fem en el sentido indicado. Si el conductor se mueve hacia arriba, la fem engendrada es de sentido opuesto. Si se mueve paralelamente a las línes de fuerza, no se engendra fem en el conductor. Es un hecho experimental que la fem engendrada es proporsional a la cantidad de líneas de fuerza cortadas en la unidad de tiempo.
El fenómeno representado en la figura 1 y 2, son manifestaciones de este principio fundamental, esto es, que cuando un electrón o protón se mueven en un campo magnético en dirección perpendicular al campo, están sometidos a una fuerza que es a la vez perpendicular al campo y a la dirección del movimiento en el mismo.
El conductor de la figura 1 contiene billones de protones y electrones. Cuando este conductor se mueve hacia abajo a través del campo, los electrones experimentan una fuerza que tienden a moverlos a lo largo del conductor en un sentido, mientras que los protones están sometidos a una fuerza que tiende a moverlos a lo largo del conductor en sentido opuesto.
Los protones quedan fijos en el conductor, pero algunos al menos de los electrones son libres de moverse y, por tanto, se acumularán en uno de los extremos del conductor. Si el conductor se remplazase por un aislador, no se moverían ni los protones ni los electrones, pero las fuerzas seguirían siendo exactamente las mismas.
Observese que lo que produce es una fem y no una corriente. De que la corriente circule o nó depende de que el circuito esté o nó completo, y la intensidad de la corriente, caso de producirse, depende de la resistencia del circuito; pero la fem existe siempre, ya que permite o no que la corriente circule.
La rueda de Barlow (Fig. 3) puede utilizarse como generador. Si se sustituye la batería por un aparato para medir fem, y se hace girar la rueda, mediante algún dispositivo mecánico, a distintas velocidades, el aparato indicará que se engendra una fem cuyo valor es proporsional a la velocidad de la rueda y cuyos sentidos se invierten si se invierten los sentidos de rotación o del campo magnético.
Sentido de la fem inducida
Puede determinarse por la regla de la mano derecha, la cual establece que si el pulgar, el índice y el dedo medio de la mano derecha se colocan perpendicularmente entre sí como para formar tres ejes de coordenadas en el espacio, con el dedo pulgar apuntando en el sentido del movimiento del conductor con relación al campo magnético y el dedo índice en dirección a las líneas de fuerza magnéticas, entonces el dedo medio señalará el sentido de la fem inducida.
Esta regla tiene la ventaja de la sencillez, pero es engorrosa de aplicar y fácil de olvidar. El método mejor es imaginarse el campo magnético como lo representa la figura 2. Si un conductor se mueve lateralmente a través del campo magnético, se engendra en él una fem, y si suministramos una trayectoria exterior para completar el circuito a través de este conductor, circulará una corriente.
Esta corriente deformará el campo magnético, y el campo deformado ejercerá una fuerza sobre el conductor para opnerse a su movimiento, como se indica en la figura 2 a. El hecho de que la fuerza se oponga al movimiento y no lo favorezca es una consecuencia del principio de conservación de la energía. Si la fuerza ayudara al movimiento una vez que el generador fuera puesto en marcha, se impulsaría a sí mismo y, en consecuencia, se aceleraría muy rápidamente hasta hacerse pedazos, suministrando la vez corriente a un circuito exterior y realizando trabajo.
El razonamiento a seguir es, por tanto, el siguiente: Cuando un conductor que forma parte de un circuito cerrado es obligado a moverse lateralmente en un campo magnético, el campo se deformará de forma que se oponga al movimiento del conductor, como indica la figura 2 a. El sentido que la corriente ha de tener para ocasionar esta distorsión se imagina fácilmente en cualquier caso dado, como se hace en la figura 2 b, si se recuerda que los campos magnéticos se componen vectorialmente, y este sentido tiene que ser el de la fem inducida que impulsa la corriente. Con un poco de práctica se puede imaginar los esquemas de las figuras 2 en uno o dos segundos.
Obsérvese que si no se permite que la corriente circule, el campo no se deformará y no se producirá ninguna fuerza que se oponga al movimiento del conductor, pero la fem engendrada es exactamente la misma. Se requiere el movimiento para engendrar la fem, pero no es necesaria ninguna fuerza mecánica para mantener este movimiento, a menos que se permita circular a la corriente.
Inducción magnética B(Gauss)
La inducción magnética de un campo en cualquier punto es la medida de la posibilidad del campo para inducir una fem en un conductor que se mueve lateralmente en el campo en dicho punto. En el sistema cgs la unidad de inducción magnética es el gauss.
Se dice que la inducción magnética de un campo uniforme es un gauss cuando en un conductor rectilíneo de un centímetro de longuitud, que se mueve lateralmente en un campo, con una velocidad de un centímetro por segundo, se produce una fem inducida de una unidad cgs electromagnética, siempre que el conductor, la velocidad y las líneas de fuerza magnéticas sean mútuamente perpendiculares.
Si el campo no es uniforme, es necesario conciderar un conductor de longitud infinitesimal. Entonces, ampliando la definición, para abarcar campos no uniformes y campos de intensidades distintas de la unidad, diremos que la inducción magnética, en gauss, en cualquier punto, es igual al número de unidades cgs electromagnéticas de fem inducidas por centímetros de longitud del conductor en dicho punto, cuando la velocidad del conductor es un centímetro por segundo, y siendo mútuamente perpendiculares las direcciones del conductor, de la velocidad y de las líneas de fuerza magnética.
Es un hecho experimental que la fem inducida en el conductor es directamente proporsional a su velocidad. Por consiguiente, en el caso de un campo uniforme, la fem inducida en un conductor rectilíneo de longitud l centímetros, que se mueve con una velocidad de v centímetros por segundo en dirección perpendicular a sí mismo y al campo, está dada por la ecuación:
e = Blv unidades cgs electromagnéticas (1)
siendo B la inducción magnética del campo en gauss.
Otro medio de expresar la intensidad de la inducción magnética de un campo es utilizar el número de líneas por centímetros cuadrado. Para representar la propiedad H de un campo magnético pueden emplearse las líneas de fuerza. Pueden utilizarse igualmente líneas para representar la propiedad B. De hecho, en el vacio, las mismas líneas de fuerza pueden servir para representar ambas propiedades. Se concidera correcto expresar la inducción magnética de un campo bien por B gauss o por B líneas por centímetro cuadrado.
Flujo magnético Φ. Maxwel. Weber
Si el campo es uniforme, el flujo magnético es el producto de la intensidad del campo en gauss por el área de la superficie perpendicular en centímetros cuadrados. Si el campo no es uniforme, la superficie perpendicular puede dividirse en un número infinito de áreas elementales dA y el flujo magnético es la suma de los productos de cada área por el valor mediop de B sobre cada área, o con la notación del cálculo integral: Φ= ƒBdA.
En el sistema cgs electomagnético la unidad de flujo magnético es el maxwell, que puede definirse como el flujo a través de una superficie de un centímetro cuadrado perpoendicular al campo, cuando la inducción magnética es un gauss. El término gauss puede paracer superfluo, puesto que la inducción magnética puede expresarse igualmente como B maxwell por centímetro cuadrado, B gauss o B líneas por centímetro cuadrado. Es evidente que el maxwell y la línea de flujo magnético son idénticos.
En la ecuación 1, el producto lv es el área en centímetros cuadrados barrida por el conductor en 1 seg, y B es la densidad de flujo en líneas en centímetro cuadrado; por conciguiente, Blu es el flujo cortado por segundo. En consecuencia, la ecu. 1 puede escribirse en la forma:
e= flujo cortado por segundo, (2)estando e medida en unidades cgs electromagnéticas y el flujo en líneas o maxwells. La unidad cgs electromagnética y el maxwell son ambas unidas pequeñas. El voltio, igual a 10 8 unidades cgs electromagnéticas, es de uso general y su empleo introduce el factor 10 - 8 en la ecu 2 con objeto de eliminar esta ecuación se adoptó en 1935 una nueva unidad de flujo magnético , denominado weber. El weber resulta, naturalmente, igual a 10 8 maxwuells y, por consiguiente, la ecua. 2 se cumple lo mismo para voltios y webers que para unidades cgs electromagnéticas y líneas.
Fuentes
Libro de texto: Electrotécnia. Fundamentos teóricos y aplicaciones prácticas. Autores: Alexander Gray. Y G.A Wallace
