Física
Objetivos de Aprendizaje
al final de esta sección, usted será capaz de:
- Describir los efectos de una fuerza magnética sobre un conductor de corriente.
- calcular la fuerza magnética en un conductor portador de corriente.
la Figura 1. El campo magnético ejerce una fuerza sobre un cable portador de corriente en una dirección dada por la Regla 1 de la mano derecha (la misma dirección que la de las cargas móviles individuales). Esta fuerza puede ser lo suficientemente grande como para mover el cable, ya que las corrientes típicas consisten en un gran número de cargas en movimiento.
podemos derivar una expresión para la fuerza magnética sobre una corriente tomando una suma de las fuerzas magnéticas sobre los derechos individuales., (Las fuerzas se suman porque están en la misma dirección.) La fuerza sobre una carga individual moviéndose a la velocidad de deriva vd está dada por F = qvdB sin θ. Tomando B para ser uniforme sobre una longitud de alambre l y cero en otra parte, la fuerza magnética total en el alambre es entonces F = (qvdb Sin θ) (N), donde N es el número de portadores de carga en la sección de alambre de longitud l. Ahora, N = nV, donde n es el número de portadores de carga por unidad de volumen y V es el volumen de alambre en el campo. Notando que V = Al, donde A es el área de la sección transversal del cable, entonces la fuerza sobre el cable es F = (qvdb Sin θ) (nAl)., Términos de recopilación,
F = (nqav_ {\text{d}}) lB\sin\theta\\.
debido a que nqAvd = I (ver corriente),
F=IlB\sin\theta\\
es la ecuación para la fuerza magnética en una longitud l de cable que lleva una corriente I en un campo magnético uniforme B, como se muestra en la Figura 2. Si dividimos ambos lados de esta expresión por l, encontramos que la fuerza magnética por unidad de longitud de alambre en un campo uniforme es \frac{F} {l} = IB\sin\theta\\. La dirección de esta fuerza está dada por RHR-1, con el pulgar en la dirección de la corriente I., Luego, con los dedos en la dirección de B, a perpendicular a la palma apunta en la dirección de F, como en la Figura 2.
la Figura 2. La fuerza en un cable portador de corriente en un campo magnético es F = ILB sin θ. Su dirección está dada por RHR-1.
la fuerza Magnética sobre conductores portadoras de corriente se utiliza para convertir la energía eléctrica para funcionar. (Los motores son un buen ejemplo: emplean bucles de alambre y se consideran en la siguiente sección.,) Magnetohidrodinámica (MHD) es el nombre técnico dado a una aplicación inteligente donde la fuerza magnética bombas de fluidos sin piezas mecánicas móviles. (Véase La Figura 3.)
la Figura 3. Magnetohidrodinámica. La fuerza magnética en la corriente pasada a través de este fluido se puede utilizar como una bomba no mecánica.
se aplica un fuerte campo magnético a través de un tubo y se pasa una corriente a través del fluido en ángulo recto con el campo, lo que resulta en una fuerza sobre el fluido paralela al eje del tubo como se muestra., La ausencia de partes móviles lo hace atractivo para mover una sustancia caliente, químicamente activa, como el sodio líquido empleado en algunos reactores nucleares. Los corazones artificiales experimentales están probando con esta técnica para bombear sangre, tal vez eludiendo los efectos adversos de las bombas mecánicas. (Las membranas celulares, sin embargo, se ven afectadas por los grandes campos necesarios en MHD, retrasando su aplicación práctica en los seres humanos.) MHD de propulsión de submarinos nucleares se ha propuesto, ya que podría ser mucho más tranquilas que las de la hélice unidades., El valor disuasorio de los submarinos nucleares se basa en su capacidad de esconderse y sobrevivir a un primer o segundo ataque nuclear. A medida que desarmamos lentamente nuestros arsenales de armas nucleares, la rama de submarinos será la última en ser desmantelada debido a esta capacidad (Véase la Figura 4.) Las unidades MHD existentes son pesadas e ineficientes—se necesita mucho trabajo de desarrollo.
la Figura 4. Un sistema de propulsión MHD en un submarino nuclear podría producir significativamente menos turbulencia que las hélices y permitir que funcione más silenciosamente., El desarrollo de un submarino silent drive fue dramatizado en el libro y la película The Hunt for Red October.
resumen de la sección
- La fuerza magnética en conductores portadores de corriente viene dada por
F=IlB\sin\theta\\
donde I es la corriente, l es la longitud de un conductor recto en un campo magnético uniforme B, y θ es el ángulo sigue RHR-1 con el pulgar en la dirección I.,
preguntas conceptuales
- dibuje un bosquejo de la situación en la Figura 1 que muestra la dirección de los electrones que transportan la corriente, y use RHR-1 para verificar la dirección de la fuerza en el cable.
- verifique que la dirección de la fuerza en una unidad MHD, como la de la Figura 3, no dependa del signo de las cargas que transportan la corriente a través del fluido.
- ¿Por qué un accionamiento magnetohidrodinámico funcionaría mejor en el agua del océano que en el agua dulce? Además, ¿por qué serían deseables los imanes superconductores?,
- ¿Cuál es más probable que interfiera con las lecturas de la brújula, la corriente alterna en su refrigerador o la corriente continua cuando enciende su automóvil? Explicar.
Problemas & Ejercicios
1. ¿Cuál es la dirección de la fuerza magnética sobre la corriente en cada uno de los seis casos de la Figura 5?
la Figura 5.
la Figura 6.
3. ¿Cuál es la dirección del campo magnético que produce la fuerza magnética mostrada en las corrientes en cada uno de los tres casos de la Figura 7, asumiendo que B es perpendicular a I?,
la Figura 7.
5. (a) una línea de CORRIENTE CONTINUA para un sistema de carril ligero transporta 1000 A en un ángulo de 30º al campo de 5.00 × 10-5-T de la Tierra., ¿Cuál es la fuerza en una sección de 100 metros de esta línea? (B) Discuss practical concerns this presents, if any.
7. Un cable con un 30.,0 – una corriente pasa entre los polos de un imán fuerte que es perpendicular a su campo y experimenta una fuerza de 2.16-N en los 4.00 cm de alambre en el campo. ¿Cuál es la intensidad media del campo?
8. (a) una sección de 0,750 m de largo de cable que lleva corriente a un motor de arranque del automóvil hace un ángulo de 60º con el campo de 5,50 × 10-5 T de la Tierra. ¿Cuál es la corriente cuando el cable experimenta una fuerza de 7.00 × 10-3 N? (b) si se pasa el alambre entre los polos de un fuerte imán de herradura, sometiendo 5,00 cm de él a un campo de 1,75-T, ¿qué fuerza se ejerce sobre este segmento de alambre?,
9. (a) ¿cuál es el ángulo entre un cable que lleva una corriente de 8.00-A y el campo de 1.20-T en el que se encuentra si 50.0 cm del cable experimenta una fuerza magnética de 2.40 N? (b) ¿Cuál es la fuerza en el alambre si se gira para hacer un ángulo de 90º con el campo?
la Figura 8. Un bucle rectangular de alambre que lleva una corriente es perpendicular a un campo magnético. El campo es uniforme en la región mostrada y es cero fuera de esa región.,
