Flujo Magnético: Definición, fórmula y ejemplos de cambio

¿Qué es el flujo magnético?

Para saber qué es el flujo magnético, imagina el siguiente experimento mental. Cuando una barra magnética se empuja hacia o alejándose de una bobina de alambre, los bucles de la bobina cortan el campo magnético de la barra magnética. El flujo magnético es el número de líneas de campo magnético que pasan a través de la superficie de las espiras de la bobina. Debido a que la bobina se está moviendo, crea un cambio en el flujo magnético con el tiempo que a su vez crea una corriente inducida en la bobina. La fuerza electromotriz (EMF) o voltaje inducido es el cambio de potencial que da lugar a una corriente inducida como resultado de un cambio en el flujo magnético.

Imagine ahora un solenoide (un cable enrollado alrededor de una pieza cilíndrica de metal) que es empujado hacia o alejándose de un imán; la corriente eléctrica inducida crea efectos de inducción magnética alrededor del solenoide. La inducción magnética es el campo magnético creado por la corriente inducida.

Fórmula de flujo magnético

Para un campo magnético uniforme {eq}\overrightarrow{B} {/eq} que pasa a través de una superficie plana presentada por un vector {eq}\overrightarrow{A} {/eq} perpendicular a la superficie, la fórmula del flujo magnético es: { eq}\Phi =\overrightarrow{B}*\overrightarrow{A}=B*A*cos(\theta) {/eq} donde

• {eq}\theta {/eq} es el ángulo entre {eq}\overrightarrow{B} {/eq} y {eq}\overrightarrow{A} {/eq}.

• B es la intensidad del campo magnético medida por tesla (T)
• A es la superficie medida en metros cuadrados ({eq}m^2 {/eq})
• El flujo magnético se mide en {eq}T*m^2 {/eq}.

Entonces, cuando {eq}\theta=0 {/eq} entonces cos(0)=+1. Tanto {eq}\overrightarrow{B} {/eq} como {eq}\overrightarrow{A} {/eq} tienen la misma dirección y el flujo magnético está en su valor máximo y las líneas del campo magnético cruzan el área de la superficie {eq }\overrightarrow{A} {/eq} en su capacidad máxima.

Sin embargo, cuando {eq}\theta=90 {/eq} entonces cos(90)=0. {eq}\overrightarrow{B} {/eq}es perpendicular a {eq}\overrightarrow{A} {/eq} y el flujo magnético es igual a cero porque ninguna de las líneas del campo magnético cruza la superficie.

Ley de Faraday

El famoso físico Michael Faraday fue el primero en observar la creación de corriente inducida a partir de un cambio en el flujo magnético. Faraday diseñó un experimento llamado disco de Faraday en el que un disco de metal gira entre los dos polos de un imán. Mientras el disco se conecta a un voltímetro, Faraday notó que existe una fuerza o voltaje electromotriz cuando el disco gira. Otros experimentos que incluyeron bobinas y solenoides en lugar de un disco de metal concluyeron con los mismos resultados. Faraday registró sus observaciones en la ley de Faraday, que establece que el cambio en el flujo magnético con el tiempo induce una corriente eléctrica en la bobina que tiene una fuerza electromotriz (EMF) o voltaje inducido. Matemáticamente, la ley de Faraday se expresa mediante la ecuación:

{eq}EMF=-\frac {\Delta \Phi }{\Delta t} {/eq} donde

• {eq}\Delta \Phi {/eq} es el cambio en el flujo magnético de un campo magnético.
• {eq}\Delta t {/eq} es el cambio en el tiempo

• EMF es la fuerza electromotriz o el voltaje inducido.
• el signo menos significa la ley de Lenz

Ley de Lenz

La ley de Lenz establece que la inducción se opone a cualquier cambio en el flujo magnético. El físico ruso Heinrich Lenz observó que la corriente inducida creada, explicada por la ley de Faraday, tiene un campo magnético inducido que tiene una dirección opuesta a la del campo magnético del imán. La ley de Lenz señaló un punto importante: la dirección de la corriente inducida se decide teniendo en cuenta su campo magnético inducido. Entonces, si el imán se mueve hacia la bobina, la corriente inducida debe estar en una dirección tal que su campo magnético inducido empuje al imán. Además, si el imán se aleja de la bobina, la corriente inducida debe estar en una dirección tal que su campo magnético inducido tire del imán. La aplicación de la ley de Lenz se presenta en la fórmula de la ley de Faraday mediante el signo menos para indicar la «oposición» del campo magnético inducido al campo magnético B.

Cambio en el flujo magnético

No se puede crear un campo magnético inducido si una corriente eléctrica constante pasa a través de un cable o si se suministra un EMF a una bobina de cable. Además, el flujo magnético constante en un cable enrollado no crearía una corriente inducida ni un campo magnético inducido. Para que salga un campo magnético inducido, el flujo magnético debe cambiar con el tiempo mediante el movimiento del imán o de la bobina. Si se saca un imán de la bobina de alambre, entonces una corriente inducida fluye hacia la izquierda en la parte recta inferior del alambre y hacia la derecha en la parte recta superior del alambre.

Ejemplo:

Considere un bucle con un área de A=100 {eq}cm^2 {/eq} que gira entre dos polos de un imán que tiene un campo magnético uniforme B que aumenta a razón de 0,020 T/s. Si el bucle se colocó de manera que el flujo magnético esté en su máximo, entonces para calcular el cambio en el flujo magnético a lo largo del tiempo, use la fórmula:

{eq}\frac {\Delta \Phi }{\Delta t}= \frac {\Delta (B*A)}{\Delta t} {/eq} donde el ángulo es igual a cero.

Como el área del bucle es constante, entonces: {eq}\frac {\Delta \Phi }{\Delta t}= A* \frac {\Delta B}{\Delta t} {/eq}. Sustituye valores y convierte números a unidades SI para obtener:

{eq}A=100 cm^2=100*10^{-4} m^2 {/eq} y {eq}\frac {\Delta B} {\Delta t} =0,02 T/s {/eq} entonces el cambio en el flujo magnético:

{eq}\frac {\Delta \Phi }{\Delta t}=100*10^{-4}*0.020=2.0*10^{-4} {/eq} V. Siguiendo la ley de Faraday, el cambio en el campo magnético el flujo es igual a EMF entonces:

{eq}EMF=-2,0*10^{-4} V=-0,20 mV {/eq} donde el signo menos se refiere a la ley de Lenz.

Flujo magnético a través de un bucle

El principio fundamental para generar electricidad es hacer girar una bobina entre dos polos de un imán. Si la bobina o el bucle tarda 2 segundos en completar una rotación completa de 360 ​​grados, entonces cada segundo y a 180 grados la corriente inducida cambia de dirección. Esto se debe al ángulo entre el campo magnético B y el área A que cambia los valores de 0 a 360 grados.

Entonces, imaginemos un flujo magnético a través de un bucle donde su movimiento se puede dividir en cuatro fases.

• El bucle comienza su movimiento donde el ángulo = 0 y el flujo magnético es máximo.
• Luego gira para alcanzar 90 grados donde el flujo magnético es igual a cero.
• Pero cuando continúa girando hasta alcanzar un ángulo de 180 grados el flujo magnético vuelve a ser máximo, pero en la dirección opuesta, y aquí es cuando la corriente inducida cambió de dirección.
• Luego, el bucle continúa girando para alcanzar ahora un ángulo de 270 grados donde el flujo magnético es cero por segunda y última vez.

Por último, el bucle completa su rotación completa para volver al caso original de flujo magnético máximo.

Por lo tanto, cuando un bucle gira entre los dos polos de un imán, los EMF en una bobina dan como resultado señales eléctricas o corriente eléctrica alterna. Esta corriente alterna inducida también se llama electricidad o señales eléctricas.

Los micrófonos son otro ejemplo de señales eléctricas creadas en bobinas por cambios en el flujo magnético o EMF según la ley de Faraday. Al hablar frente a un micrófono, los sonidos hacen que la bobina vibre alrededor de un imán, lo que provoca cambios en el flujo magnético que crean corriente inducida. Entonces, los sonidos se convierten en señales eléctricas en los micrófonos.

Resumen de la lección

Un campo magnético se considera flujo magnético cuando sus líneas penetran en un área definida. La fórmula del flujo magnético es: {eq}\Phi =\overrightarrow{B}*\overrightarrow{A}=B*A*cos(\theta) {/eq} donde {eq}\overrightarrow{B} {/eq} representa el campo magnético B, {eq}\overrightarrow{A} {/eq} representa el área A y {eq}\theta {/eq} es el ángulo entre los dos vectores B y A. A medida que la superficie se mueve o gira entre dos polos de un imán, el flujo magnético {eq}\Phi {/eq} cambia. La ley de Faraday establece que el cambio en el flujo magnético crea una corriente eléctrica inducida que tiene una fuerza electromotriz o EMF. Matemáticamente, la fórmula de la ley de Faraday es: {eq}EMF=-\frac {\Delta \Phi }{\Delta t} {/eq}.

El EMF tiene un signo menos cuando el flujo magnético aumenta. La ley de Lenz significa que la corriente inducida tiene una dirección tal que crea un campo magnético inducido que se opone a la dirección B del campo magnético. Al sacar un imán de una bobina cableada, una corriente inducida fluye hacia la izquierda en la parte recta inferior del cable y hacia la derecha en la parte recta superior del cable. El cambio de flujo magnético a través de un bucle se utiliza para generar electricidad alternada, también llamada señales eléctricas. Otro ejemplo de cambio de flujo magnético es el micrófono, donde convierte el sonido en una señal eléctrica.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador