Problemes empaquetats
Les màquines electromagnètiques: generadors, transformadors i motors

Solucions

Els problemes

1.A la figura 1 es veu l’esquema d’un transformador.

a) Identifica-hi les parts essencials.

Bobinats primari/secundari, nucli ferromagnètic, terminals circuit primari/secundari.

b) Com l’he de connectar per augmentar el voltatge? I per disminuir-lo?

Per augmentar-lo: circuit primari als terminals de la dreta i circuit secundari als de l’esquerra. Per disminuir-lo: al revés.

c) Per quin motiu uns cables són més gruixuts que els altres?

Pel bobinat amb menys voltes hi passarà una intensitat més gran i la potència dissipada val

d) Explica la utilitat d’un transformador

d1) A la sortida d’una central elèctrica

Eleva la tensió per a disminuir la potència dissipada a la xarxa de distribució.

d2) . Dins la torre d’un ordinador de sobretaula.

Disminueix la tensió dels de la xarxa domèstica fins a les tensions que necessiten els diferents dispositius de l’ordinador.

Fig. 10: Línies de camp elèctric, direcció del corrent i de les forces.

2.A la figura 2 es veu un motor elèctric “artesanal”.

a) Identifica-hi les parts essencials.

Imants (fixos): estator, bobina (giratòria): rotor, eix, escombretes.

b) Representa sobre la figura les línies del camp magnètic produït pels imants, la direcció del corrent elèctric i la direcció de les forces elèctriques.

Figura 10. Una N en un imant ens indica que és un pol nord. El corrent elèctric no està definit clarament. Podria ser exactament al revés, cas en el qual cas les forces també se n'invertiria el sentit.

c) Aquest motor s’alimenta amb un corrent continu. Com s’aconsegueix que el motor giri contínuament?

Es pot apreciar a l’esquerra un sistema d’escombretes que fa que cada mitja volta la bobina permuti les seves connexions amb el circuit extern, de manera que el parell de forces continua sempre en el mateix sentit.

 

Fig. 11: Línies de camp magnètic.

3.S'ha fotografiat una bobina elèctrica (figura 3) per la qual circula un corrent elèctric continu. Al seu costat s'ha situat una brúixola i observem que l'extrem sud de la brúixola apunta cap a la bobina.

a) Dibuixa les línies del camp magnètic generat pel corrent elèctric que circula per la bobina i indica quin és el sentit en què gira el corrent a la bobina si la mirem des de la brúixola.

Figura 11. La cara que es veu des de la brúixola és una cara nord, així que des d’aquell costat el corrent està girant en sentit antihorari.

4.A FisLab... el bloc es descriu “un motor de tot cor” (http://fislab.wordpress.com). A continuació (figura 4) se'n mostra un esquema. El motor consta d’una pila de d'1,5V, tres imants de neodimi i un conductor amb forma de cor. Tingues present que els imants són conductors del corrent i que el fil conductor toca els imants amb una fricció molt petita.

a) Indica el sentit del corrent elèctric en cada un dels dos segments del conductor i les línies del camp magnètic generat pels imants.

El vídeo del seu funcionament es pot veure a: http://youtu.be/NkzjvT3s_qA

b) Dibuixa en els punts P i Q els vectors que indiquin la direcció i el sentit del corrent elèctric, del camp magnètic i de la força magnètica.

Figura 12.

Fig. 13: Corrent elèctric, camp magnètic i força magnètica

c) Indica com girarà el motor i proposa una modificació perquè giri en sentit contrari.

Figura 13.

 

5.La figura 5 representa un espectrògraf de masses. En la situació presentada els ions surten de A i es dirigeixen cap al selector de velocitats S en el qual hi ha un camp elèctric, dirigit cap a la dreta, i un camp magnètic .

 

Fig. 14: Forces elèctrica i magnètica.

a) Dins el selector la força elèctrica sobre els ions és de . Volem que els ions amb travessin el selector de velocitats sense desviar-se. Determina la direcció, sentit i intensitat de la inducció magnètica en la zona del selector de velocitats i fes un diagrama de les forces que actuen sobre els ions que l'estan travessant en línia recta.
Els ions seleccionats entren després a la zona Z on només hi ha un camp magnètic en la direcció perpendicular al pla de la figura.

El camp magnètic té la direcció perpendicular a la figura 14 i el sentit és “cap endins del paper”. El seu mòdul és.

b) Quin és el radi de la trajectòria dels ions dins de la zona Z? Quanta energia cinètica guanyen els ions des que surten de A fins que han travessat tota la zona Z?

.

6.La figura 6 mostra 2 persones movent un cable elèctric com quan se salta a corda. El cable forma un circuit que es tanca pel terra i que està connectat a un voltímetre. Considera que el camp magnètic terrestre al lloc on estan fent l’experiment és horitzontal, en la direcció perpendicular al pla de la figura, i que la intensitat és.

a) Proposa valors raonables per a la freqüència del moviment de la corda i per a l’àrea definida i calcula’n la FEM màxima que indicarà el voltímetre.
b) Escriu una expressió que ens doni la FEM màxima com a funció de la freqüència , de l’àrea “escombrada” i del camp magnètic .

Uns valors raonables poden ser , amb aquests valors
Naturalment s’accepten valors de i diferents.

c) Quina posició té el cable quan la FEM instantània és màxima?

Quan està en un pla horitzontal.

d) Què passaria si les dues persones s’alineen en la direcció N-S ?

(constant) i

e) Com podríem augmentar la FEM sense modificar ni la freqüència, ni l’àrea escombrada, ni el camp magnètic extern?

Utilitzant un cable molt més llarg i fent que descrivís més d’una volta.

7.La figura 7 mostra l’interior d’una cuina d’inducció. La bobina de coure principal està alimentada amb un corrent altern de amb una . Quan situem una olla o paella amb base d’acer sobre la cuina, l'estri de cuinar s’escalfa. El rendiment de les cuines d’inducció és d’un , molt més alt que el de les cuines elèctriques de resistència.

a) Escriu una explicació de perquè s’escalfa un objecte d’acer situat sobre una cuina d’inducció. A l’explicació han d'aparèixer els termes “corrent induït”, “corrents de Foucault” i “flux magnètic”.

S’espera una resposta que parli del camp magnètic variable produït per la bobina, del flux magnètic variable a través dels circuits possibles a l’objecte d’acer, dels corrents de Foucault que s’hi induiran i de l’energia dissipada per aquests corrents per l’efecte Joule.

b) Explica perquè una cassola de fang no serveix per a cuinar en aquestes cuines.

El fang no és conductor del corrent elèctric.

c) Perquè el corrent ha de ser altern?

Altrament, el flux magnètic seria constant.

d) Calcula la eficaç i la potència d’entrada (suposa que a la bobina són ).

e) Si considerem que la bobina de coure té 26 voltes i que el recipient de cuina es comporta com una sola espira, i tenint en compte el rendiment indicat a l’enunciat, calcula la intensitat eficaç del corrent en aquesta única espira. A quin dispositiu dels estudiats correspon aquest sistema?

Transformador

 

8.Un imant de barra gira, com es mostra a la figura 8, al costat de 4 espires quadrades de de costat. El gràfic 9 mostra el valor mitjà de la component del camp magnètic en la zona de les espires.

a) Construeix un gràfic que mostri la FEM induïda a les espires durant els .

Figura 15.

 

Fig. 15: Força electromotriu induïda a les espires.

 Autor d'aquesta pàgina: Octavi Plana, professor de Física i Química a l’IES Icària de Barcelona

Aquesta obra està subjecta a una
Llicència de Creative Commons