Luis Angelats SilvaUNIVERSIDAD PRIVADA  ANTENOR ORREGO Dr. Luis M. Angelats Silva 
[email protected] 13/05/2014 Teoría  de Campos Electromagnéticos Escuela de Ingeniería de Telecomunicaciones y Redes Curso: CAMPOS MAGNÉTICOS 13/05/2014 Luis Angelats Silva Imanes naturales: +Determinados  cuerpos  que  se  pueden  encontrar   con esa propiedad en la naturaleza. Ejemplo: la magnetita (Fe 3 O 4 ) que tiene la propiedad de atraer limaduras de hierro. INTRODUCCIÓN Magnetita El magnetismo es un fenómeno físico o propiedad que tienen ciertas sustancias ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre minerales de hierro y sus compuestos. Magnetita (Fe 3 O 4 ) +La máxima atracción de los imanes reside en sus extremos, llamados POLOS; en su parte central (LÍNEA NEUTRA) la atracción es nula. Polos y línea neutra: Las experiencias con imanes ponen de manifiesto que polos del mismo tipo (N-N y SS) se repelen y polos de distinto tipo (N-S y S-N) se atraen 13/05/2014 Luis Angelats Silva La Tierra, es un gigantesco imán natural (0.5 x 10 -4  T), según ubicación geográfica. Luis Angelats Silva 13/05/2014 Las cargas eléctricas pueden estar aisladas mientras que un simple polo magnético nunca puede estar separado. Esto es, los polos magnéticos siempre se encuentran  en pares. Imposibilidad de aislar los polos de un imán: Dividiendo un imán tantas veces como se quiera se obtienen otros tantos imanes completos 13/05/2014 Luis Angelats Silva Podemos definir un campo magnético en algún punto en el espacio en términos de la fuerza magnética F B   que  el   campo  ejerce  sobre  un  objeto  de  prueba,   para  lo  cual   usamos  una partícula cargada moviéndose a una velocidad v. 1. FUERZAS MAGNÉTICAS SOBRE CARGAS MÓVILES B q F B x v = Expresión vectorial de F B : u vsen B q F B = Magnitud de F B : Unidades del campo magnético B  en el S.I: ó 1 T = 10 4  Gauss [G] s m C  N T Tesla / . 1 ] [ 1   = m A N T . 1 1 = Equivalencia con unidades c.g.s: 13/05/2014 Luis Angelats Silva 13/05/2014 Luis Angelats Silva ¿En cuál de los casos (a) ó (b) la fuerza magnética es máxima, y en cuál caso es cero?   (a) (b) 13/05/2014 Luis Angelats Silva Demostración experimental de la acción del campo magnético (B) sobre cargas  eléctricas en movimiento en un monitor de PC: 13/05/2014 Luis Angelats Silva Televisores y pantallas de computadora:  Fuente del campo  Magnitud de lcampo magnético (T) Poderoso imán superconductor de laboratorio  Magneto convencional de laboratorio Unidad médica de resonancia magnética (RM) Imán de barra Superficie de l Sol Superficie de la Tierra Displays (pantallas) de computadora Interior del cerebro humano (debido a los  impulsos nerviosos) 30 2 1.5 10 -2 10 -2 0.5 x 10 -4 ~ 0.7 x10 -6 10 -13 + Las pantallas de televisión y ordenador pueden manipular tu sistema nervioso.   En   la   posición   que ocupa  el   usuario  (a  30  a  50  cm  de  la pantalla),   la   intensidad   de   los   campos magnéticos alternos es aproximadamente 0,7 µT. 13/05/2014 Luis Angelats Silva Solución 13/05/2014 Luis Angelats Silva 1. Un protón se mueve con una velocidad de v = (2i – 4j +k) m/s dentro de una región en la cual el campo magnético es B =(i+2j – 3k) T. (a) ¿Cuál es el vector fuerza magnética? (b) ¿cuál es la magnitud ? Rpta. (b) 2.34 N Ejercicios adicionales: 2. Un electrón en un tubo de rayos catódicos (TRC) se mueve hacia al frente del cinescopio con una velocidad de 8.0 x 10 6  m/s a lo largo del eje X (Ver Fig.). Rodeando el cuello del tubo hay bobinas de alambre que crean un campo magnético de 0.025T de magnitud, dirigidos en un ángulo de 60° con el eje X y se encuentra en el plano XY. (a) Calcule la fuerza magnética sobre el electrón, (b) Encontrar una expresión vectorial para la fuerza magnética sobre el electrón. Rpta: (a)F B = 2.8 x 10 -14 N; (b) (2.8 x 10 -14 N) k. Sugerencia: 13/05/2014 Luis Angelats Silva 2. LÍNEAS DE CAMPO MAGNÉTICO: «En todo imán las líneas de campo salen del polo norte y entran por el polo sur y van del sur al norte por el interior del imán» 13/05/2014 Luis Angelats Silva 3. FLUJO MAGNÉTICO: El flujo asociado con un campo magnético es definido en una manera similar al usado en el flujo eléctrico: Definición de flujo magnético du B , como: A B d dA Bcos dA B B - = = = u ± | El flujo magnético total a través de la superficie es la suma  de  las  contribuciones  desde  los  elementos  de área individuales: A B d dA Bcos dA B B } } } - = = = u ± | (Flujo magnético a través de una superficie) Definición de flujo magnético [T.m 2 ] ;    1 Wb = 1 T.m 2 13/05/2014 Luis Angelats Silva FLUJO MAGNÉTICO SOBRE UNA SUPERFICIE  CERRADA: Los tubos de flujo de un campo eléctrico estático se originan y terminan en cargas eléctricas. Mientras que, los tubos de flujo magnético son continuos, es decir, que no tienen fuentes ni sumideros. Diferencia fundamental entre los campos magnéticos y eléctrico estático. Ley de Gauss aplicada al campo magnético O equivalentemente: 0 = - V  B   Ecuaciones   de Maxwell   a partir de la ley de Gauss para los campos magnéticos Ley de Gauss del magnético: “El flujomagnéticototal atravésdeunasuperficiecerradasiempreesigual acero”. } = - 0 A B d 13/05/2014 Luis Angelats Silva 13/05/2014 Luis Angelats Silva Solución 13/05/2014 Luis Angelats Silva 4. MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS 0CARGADAS EN UN CAMPO MAGNÉTICO: qvB F B = Como:   y: R v m ma F c 2 = = ¿ R mv qvB F B 2 = = ,   ó: qB mv R = Radio de la trayectoria circular Velocidad angular e, y el período T de la  partícula: m qB r v = = e qB m v r T t e t t 2 2 2 = = = y, “Estos resultados demuestra que la velocidad angular de la partícula y el período del movimiento circular no dependen de la velocidad lineal o del radio de la órbita”. La velocidad angular e es muchas veces conocida como FRECUENCIA DE CICLOTRON 13/05/2014 Luis Angelats Silva Solución 13/05/2014 Luis Angelats Silva Preguntas de análisis  2: 1.   Una partícula cargada está moviéndose perpendicular al campo magnético dentro de un círculo   con   un   radio  r.   Una   partícula   idéntica   ingresa   al   campo,   con   velocidad  v perpendicular   a  B,   pero  con  una  mayor   velocidad  que  la  primera  partícula.   ¿Cuál partícula (primera o segunda) tiene mayor radio? 2.   Una partícula cargada está moviéndose perpendicular al campo magnético dentro de un círculo  con  un  radio  r.   Si   la  magnitud  del   campo  magnético  se  incrementa,   ¿cómo cambia el radio de la trayectoria circular? Ejercicios adicionales: 2. Un protón está moviéndose en una órbita circular de radio 14 cm en un campo magnético de  0.35  T perpendicular  a  la velocidad  del   protón.   (a)  Encuentre  la  velocidad  lineal   del protón,   (b)   Compare  los  radios  de  la  trayectoria  circular   para  un  protón  y  un  electrón ingresando con la misma velocidad. Rpta: (a) 4.7 x 10 6  m/s.(b) ¿? 3. Sobre un protón que posee una energía cinética de 4,5 MeV (1 MeV = 1.602 x 10 -19  J) actúa  en   dirección   normal   a   su   trayectoria   un   campo   magnético  uniforme   de   8  T. Determinar: (a) el valor de la fuerza que actúa sobre él. (b) El radio de la órbita descrita. (c) Número de vueltas que da en 1 s. 13/05/2014 Luis Angelats Silva Si   la  partícula  cargada  se  mueve  dentro  de  un  campo  magnético  uniforme  con  su velocidad formando un ángulo arbitrario respecto a B, su trayectoria es HELICOIDAL: v v x v y y x, B 2 2 y x v v v + = Ver: http://rabfis15.uco.es/Camag/animaciones.aspx Trayectoria helicoidal 13/05/2014 Luis Angelats Silva Botella magnética : Si la partícula cargada se mueve dentro de un campo magnético NO uniforme: qB mv r = Ver: http://rabfis15.uco.es/Camag/animaciones.aspx El radio de la órbita de la carga eléctrica es menor según crece la intensidad del campo. La partícula indicada se mueve hacia adelante y hacia atrás oscilando entre los puntos extremos atrapada en el interior del campo. Aplicación: Confinar plasma. 13/05/2014 Luis Angelats Silva Cinturones de radiación Van Allen: 13/05/2014 Luis Angelats Silva Solución 13/05/2014 Luis Angelats Silva 13/05/2014 Luis Angelats Silva 13/05/2014 Luis Angelats Silva Aplicaciones que involucran partículas cargadas moviéndose dentro de un campo magnético: Una partícula moviéndose con una velocidad ven presencia de un campo eléctrico y un campo magnético B, experimenta tanto una fuerza eléctrica qE y una fuerza magnética qvx B: B v E F   x q q   + = Fuerza de Lorentz SELECTOR DE VELOCIDADES:   Es   un  aparato  que  proporciona  un  haz  de partículasquesemuevenconlamismavelocidad B E v = “Solo aquellas partículas que tengan esta rapidez pasarán sin desviarse a través de los campos eléctrico y magnético mutuamente perpendiculares”. Ver: http://rabfis15.uco.es/Camag/animaciones.aspx Ejercicio: Un  selector   de   velocidad  está  constituido   por   los   campos   eléctrico   y   magnético  que  se describen mediante las expresiones E =Ek y B =Bj, siendo B = 15.0 mT. Determine el valor de E tal que un electrón de 750 eV trasladándose a los largo del eje positivo x no se desvíe 13/05/2014 Luis Angelats Silva El  CRT (Cathode Ray Tube – Tubo de Rayos Catódicos) es el  tubo de imagen usado para crear imágenes en la mayoría de los monitores y televisores. En un CRT, un cañón de electrones dispara rayos de electrones a los puntos de fósforo coloreado en el interior de  la  superficie  de  la  pantalla  del   monitor.   Cuando  los  puntos  de  fósforo  brillan,   se produce  una  imagen.   Estos  rayos  de  electrones  son  dirigidos  por   la  generación,   por parte de una pieza llamada yugo de campos magnéticos (selector). Aplicación del sistema de selector con campos magnéticos: Control de electrones (Selector) Haz de electrones Señales de color Control de electrones Máscara Puntos fosfóricos Pantalla 13/05/2014 Luis Angelats Silva FUERZA MAGNÉTICA ACTUANDO SOBRE UN CONDUCTOR QUE TRANSPORTA CORRIENTE: B v F   B v F ) )( ( ) ( lB A nqv B) (qv nAl F d d B = = La  magnitud  de  la  fuerza  magnética  total   F   ejercida  sobre  todas  las  cargas  en movimiento en el segmento de alambre de volumen A.l es: n ÷ número de cargas por unidad de volumen (concentración electrónica) v d  ÷ velocidad de deriva Teniendo en cuenta que la densidad de corriente J está dada por: d nqv J =   y J = I/A, IlB F B  = 13/05/2014 Luis Angelats Silva En caso que B forma un ángulo | con el alambre: | IlBsen IlB F B   = =   ± B x l F B I = ó (Fuerza magnética sobre un segmento recto de alambre) 13/05/2014 Luis Angelats Silva Para   calcular   la   fuerza   total   F B   que   actúa   sobre   un alambre  de  forma  irregular   pero  de  sección  transversal constante: B dl F B x } = b a I dl Aplicaciones de la fuerza magnética  sobre un alambre con corriente: • Una aplicación práctica importante se puede apreciar en el funcionamiento de los altoparlantes. • Como se aprecia en la figura, una bobina se encuentra entre los polos de un imán. Cuando circula corriente por la bobina, sobre ella aparece una fuerza perpendicular al campo haciendo que el cono del altavoz se dirija hacia delante o hacia atrás, dependiendo de la dirección de la corriente. Principio de funcionamiento del altavoz dinámico 13/05/2014 Luis Angelats Silva Solución 13/05/2014 Luis Angelats Silva 13/05/2014 Solución (1) Para el segmento de la derecha, perpendicular al plano: 0 F B = (2) Para el segmento recto de la izquierda, la magnitud de la fuerza magnética es:   ILB F B  =   Analice por qué 13/05/2014 Luis Angelats Silva (3) Para el segmento curvo (semicírculo): B dl dF x I = B Rd I IdlB IdlBsen dF ) ( u = = = 90 13/05/2014 Luis Angelats Silva Evalúe su comprensión sobre dirección de la fuerza 13/05/2014 Luis Angelats Silva 2.   Una  varilla  con  0.720  Kg  de  masa  y  un  radio  de  6.0  cm  descansa  sobre  dos  rieles paralelos (ver figura) que están separados por un valor d = 120 cm y tiene una longitud L = 45.0 cm de largo. La varilla conduce una corriente I = 48.0 A en la dirección que se muestra y rueda por los rieles sin resbalar. Perpendicularmente a la varilla ya los rieles existe un campo magnético uniforme de magnitud 0.240 T. Si parte del reposo ¿cuál será la rapidez de la varilla cuando se salga de los rieles? Ejercicios adicionales: 1.   Un  alambre  lleva  corriente  hacia  arriba  en  el   plano  de  esta  diapositiva.   El   alambre experimenta un fuerza magnética hacia el  borde derecho de esta diapositiva ¿en qué dirección se encuentra el campo magnético que causa esta fuerza? 3.   Un  alambre  doblado  en  un  semicírculo  de  radio  R  forma  un circuito cerrado y porta una corriente I (Ver Fig.). El alambre se mantiene en el plano XY, y un campo magnético uniforme está dirigido a lo largo del  eje Y positivo. Encontrar la magnitud y dirección  de  la  fuerza  magnética  que  actúa  sobre  la  porción recta del alambre y sobre la porción curva del mismo. Rpta. (a) 2IRB, hacia afuera ((2IRB)k, (b) 0. 13/05/2014 FUERZA Y PAR DE TORSIÓN EN UNA ESPIRA DE CORRIENTE: La magnitud de la fuerza F sobre el lado derecho (longitud a) de la espira es: (en la dirección +x) Las   fuerzas   sobre  los   lados   b  de  la espira son F’ y – F’ con magnitud: F = IaB Y sobre el lado izquierdo (longitud a) de la espira es: F = -IaB   (en la dirección –x) F’ = IbBsen(90°- |) = IbBcos| (en la dirección +y   y –y) La fuerza neta sobre una espira de corriente en un campo magnético uniforme es igual a cero. Sin embargo, el par de torsión neto en general no es igual a cero. 13/05/2014 Luis Angelats Silva Si la espira puede rotar alrededor del eje Y, la magnitud del par de torsión debido a F y –F es: ) )( ( ) / (   | | | | t   bsen IBa sen b F sen 2 b F sen 2 b F   = = + = 2 2 IBA máx  = t (rotación respecto al eje y) El par de torsión o torque es máximo cuando  | = 90°: ¿cuando es cero? Como ab = A (Área de la espira),   | t   IBAsen =   (magnitud del par de torsión en una espira de corriente) 13/05/2014 Luis Angelats Silva Expresión general para: B Ax I = t Donde A es el vector perpendicular al plano de la espira y tiene una magnitud igual al área de la espira. | t IBAsen = Definiendo : A μ I =   Momento dipolar magnético (momento magnético) de la espira [A.m 2 ] : B x µ t = Cuya magnitud es : | µ t Bsen = Observación:   Si   una  bobina  de  alambre  contiene N espiras. El momento magnético de la bobina es:   A μ bobina   I N = 13/05/2014 Luis Angelats Silva La energía potencial para un dipolo magnético  dentro  de   un  campo  magnético uniforme depende de la orientación del dipolo dentro del campo magnético y está dado por: | µ   μBCos U - B = - ÷ = ¿Para qué ángulo es el valor cero de la energía U?   Y ¿Para qué ángulo es el el valor  máximo? Pregunta de análisis 4: 1.   Ordene  de  mayor   a  menor   las  magnitudes  de  los  torques  actuando  sobre  la  espira rectangular   mostrada  en  la  figura.   Todas  la  espiras  son  idénticas  y  llevan  la  misma corriente. 13/05/2014 Luis Angelats Silva Solución 13/05/2014 Luis Angelats Silva Solución 13/05/2014 Luis Angelats Silva Ejercicio adicional: Una bobina rectangular de dimensiones 5.40 cm x 8.50 cm consiste de 25 vueltas y lleva una corriente de 15.0 mA. Se aplica un campo magnético de 0.350 T paralelo al plano de la espira (bobina). (a) Calcule la magnitud del momento dipolar magnético, (b) Calcule la magnitud del torque (momento de torsión) que actúa sobre la espira. Luis Angelats Silva Revise el funcionamiento del motor de corriente directa o continua Todos los motores eléctricos tienen básicamente los mismos componentes. Todos tienen un magneto estacionario denominado el estator y un electroimán denominado la armadura. El estator genera el campo magnético. Cuando una corriente eléctrica se hace pasa por el embobinado de la armadura que se ha colocado en el campo magnético generado por el estator, esta comienza a rotar debido al torque magnético. De esta manera al energía eléctrica se convierte en energía mecánica. TRABAJO DE APLICACIÓN: Describa el funcionamiento de un generador de corriente alterna 13/05/2014 Luis Angelats Silva 1. Celdas de campo y permeabilidad, 2. Densidad de energía en un  campo magnético estático 3. Energía en un inductor Texto J. Krauss (Para su revisión y presentación de  resumen)