Soluciones con explicaciones detalladas a las preguntas de física SAT sobre Electromagnetismo.
El primario de un transformador está conectado a una fuente de voltaje que tiene dos componentes: una corriente alterna (AC) de 120 voltios y una corriente continua (DC) de 5 voltios. El número de vueltas en el primario es de 300 y en el secundario es de 6000. ¿Cuál es el voltaje en la salida del secundario?
A) 2400 voltios AC y 100 voltios DC
B) 2400 voltios AC solamente
C) 100 voltios DC solamente
D) 2500 voltios AC solamente
E) 2500 voltios DC solamente
Los transformadores bloquean las corrientes DC constantes y solo permiten el paso de la corriente AC, por lo tanto, el voltaje de salida tendrá solo un componente AC. La relación entre el voltaje secundario Vs, el voltaje primario Vp, el número de vueltas del secundario Ns y el número de vueltas del primario Np es:
Vs / Vp = Ns / Np
Vs / 120 = 6000 / 300
da Vs = 2400 v (solo AC)
Respuesta: B
Un motor eléctrico transforma:
A) Energía mecánica en energía eléctrica
B) Energía eléctrica en energía mecánica
C) Energía potencial en energía eléctrica
D) Un voltaje alto en un voltaje menor
E) Un voltaje pequeño en un voltaje mayor
Un motor eléctrico es cualquier dispositivo que transforma energía eléctrica en energía mecánica.
Respuesta: B
Un transformador con una eficiencia del 80% está conectado a una fuente de corriente alterna de 50 voltios. El voltaje y la corriente en el secundario son 500 voltios y 0.1 amperios, respectivamente. ¿Cuál es la corriente en el primario?
A) 0.8 A
B) 1.0 A
C) 1.25 A
D) 1.35 A
E) 1.15 A
La eficiencia es la relación entre la potencia en el secundario del transformador y la potencia de entrada en el primario. Por lo tanto,
80% = ( Is Vs ) / ( Vp Ip )
0.8 = (500 v × 0.1 A) / (50 v × Ip)
Ip = ( 500 v × 0.1 A ) / ( 50 v × 0.8 ) = 1.25 A
Respuesta: C
Una barra de longitud L se desliza a lo largo de cables eléctricos en una dirección perpendicular a un campo magnético B dirigido fuera de la página. La barra y parte de los cables que incluyen la resistencia R forman un circuito cerrado. ¿Cuál de los siguientes aumentará la corriente eléctrica que fluye en R? (suponiendo que la resistencia debida a los cables y la barra es despreciable)
A) (I)
B) (II) solamente
C) (III) solamente
D) (II) y/o (III)
E) (I), (II) y (III)
La barra deslizante genera una fem motriz (fuerza electromotriz) dada por
E = L v B, donde L es la longitud de la barra en movimiento, B el campo magnético y v la velocidad de la barra en movimiento.
La corriente i en el circuito está dada por
i = E / R = L v B / R
Por lo tanto, i aumenta si L, v o B o todos aumentan.
Respuesta: D
Un imán permanente se inserta a velocidad constante dentro de un bucle desde la izquierda y sale del bucle nuevamente desde la derecha, como se muestra a continuación. Mientras el imán se mueve de izquierda a derecha,
A) la corriente en el bucle será de A a B
B) la corriente en el bucle será de A a B y luego de B a A
C) la corriente en el bucle será de B a A
D) la corriente en el bucle será de B a A y luego de A a B
E) no hay corriente en el bucle
Debido al cambio de flujo magnético a medida que el imán permanente se mueve, se induce una fem en el bucle. De acuerdo con la ley de Lenz, la corriente inducida es tal que opondrá el cambio que la produce. Mientras el imán se mueve desde la izquierda, su polo norte se acerca al bucle. Por lo tanto, la corriente en el bucle debería producir polos magnéticos que se opongan al movimiento del campo magnético creando un polo norte para bloquear el imán. Conociendo los polos magnéticos del bucle, usamos la regla de la mano derecha para encontrar la dirección de la corriente (ver figura abajo). Por lo tanto, la corriente es de A a B.
Una vez que el imán atraviesa el bucle, su polo sur estará en el lado del bucle y se moverá hacia afuera, por lo que la corriente en el bucle debe oponerse a este movimiento, creando un polo norte para atraer (oponer) al imán permanente que intenta alejarse. Por lo tanto, el campo magnético en el bucle tiene que cambiar de polos y, por ende, el campo eléctrico inducido tiene que cambiar de dirección. Así que la corriente es de B a A (ver figura abajo).
Un imán inicialmente estacionario es empujado más cerca de un bucle y luego se detiene. ¿Cuál de los gráficos de la corriente mostrados abajo representa de cerca la variación de la corriente en el galvanómetro que detecta la corriente en el bucle?
Al principio, el imán está estacionario y no hay cambio en el flujo magnético a través del bucle, por lo tanto, no se induce ninguna fem y no hay corriente (= 0). Luego, cuando el imán es empujado, el flujo magnético a través del bucle cambia y, por lo tanto, comienza a generarse una corriente (aumenta) en el circuito. Tan pronto como el imán se detiene, la corriente cae (a 0) porque no hay cambio en el flujo magnético. Así que el gráfico que representa de cerca la corriente en el bucle es D.
Respuesta: D
En la figura de abajo, el campo magnético uniforme B es paralelo al rectángulo. ¿Cuál es el flujo magnético de B a través del rectángulo?
A) 0.025 Wb
B) 0
C) 0.004 Wb
D) 250 Wb
E) 0.01 Wb
El flujo φ debido a un campo magnético uniforme B a través de una superficie plana S de área A está dado por
φ = B A cos(θ), donde θ es el ángulo entre B y el vector normal a la superficie S.
En el diagrama dado, B es paralelo al rectángulo y, por lo tanto, perpendicular a cualquier vector normal al rectángulo. Así que en este caso θ = 90°.
φ = B A cos(90°) = 0
Respuesta: B
Sean Vp, Ip y Np el voltaje, la corriente y el número de vueltas del primario de un transformador eléctrico, y Vs, Is y Ns el voltaje, la corriente y el número de vueltas de su secundario. Si este transformador no es 100% eficiente, ¿cuál de las siguientes debe ser verdadera?
A) Vp = Vs
B) Vs Is > Vp Ip
C) Vs Is = Vp Ip
D) Ip = Is
E) Vs Is < Vp Ip
La eficiencia de un transformador η se define como
η = Potencia en el secundario / Potencia en el primario = (Vs Is) / (Vp Ip)
Si no es 100% eficiente, entonces η < 100% o η < 1.
Por lo tanto, Vs Is < Vp Ip.
Respuesta: E
¿Cuál de las siguientes leyes puede usarse para encontrar la dirección de la corriente inducida en un bucle cercano a un imán en movimiento?
A) Ley de Kirchhoff
B) Ley de Faraday
C) Ley de Joule
D) Ley de Lenz
E) Ley de Ohm
De acuerdo con la ley de Lenz, la corriente inducida produce un campo magnético que se opone al cambio en el campo magnético que lo produce. Por ejemplo, si el imán se está acercando al bucle, la corriente producida en el bucle debe ser tal que su campo magnético empuje el imán que se acerca. Si el imán se está alejando del bucle, el campo magnético debido a la corriente inducida debe atraer al imán.
Respuesta: D
¿Cuál de las siguientes es verdadera sobre la ley de Lenz?
(I) Obedece la tercera ley de Newton
(II) Obedece la conservación de la energía
(III) Puede usarse para encontrar la dirección de la corriente inducida
A) (I), (II) y (III)
B) (I) y (II) solamente
C) (I) y (III) solamente
D) (I) solamente
E) (II) solamente
I) La ley de Lenz obedece la tercera ley de Newton (para cada acción hay una reacción).
II) Obedece la conservación de la energía, no se crea ni se destruye energía en un sistema donde tiene lugar la inducción electromagnética. Hay un intercambio de energía entre las diferentes partes del sistema, pero la suma total de todas las energías es constante.
III) La ley de Lenz puede usarse para encontrar la dirección de la corriente inducida.
Respuesta: A