Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Fsica III Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Fsica III

Electromagnetismo e induccin magnticaExperiencia No8 La electricidad y el magnetismo estn estrechamente relacionados, pues la corriente elctrica manifiesta un efecto magntico. El electromagnetismo abarca los fenmenos fsicos que tienen que ver con el efecto de las cargas y corrientes elctricas, y las fuerzas que resultan de estos fenmenos. En 1819, el fsico y qumico dans Hans Christian Oersted (1777 a 1851) descubri que una aguja imantada se desva por la corriente que circula a travs de un alambre, con lo que fund el electromagnetismo. En los aos siguientes, aproximadamente a partir de 1822, el fsico y qumico britnico Michael Faraday se ocup del estudio del efecto contrario, es decir, la conversin del magnetismo en electricidad. En 1831 pudo demostrar las primeras pruebas, publicando sus trabajos bajo el concepto de "induccin electromagntica", trabajo que lo hizo famoso. CAMPO MAGNTICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR ELCTRICO Todo conductor elctrico por el que circula una corriente genera un campo magntico. Dicho campo se origina debido a que los portadores de carga (electrones) se mueven dentro del conductor. La siguiente animacin muestra el campo magntico generado por un conductor por el que fluye una corriente: Un conductor por el que circula corriente est rodeado por lneas de campo concntricas. Para determinar el sentido de las lneas de campo se puede aplicar la llamada "regla del tornillo": Las lneas del campo magntico rodean el conductor por el que circula corriente en la misma direccin en la que habra que girar un tornillo (de rosca derecha) para apretarlo en el sentido tcnico del flujo de la corriente. 1.- Experimento: Campo magntico de un conductor 1 Con una brjula se verificar el campo magntico de un conductor por el que circula corriente. Monte el siguiente arreglo experimental: Aleje el imn por lo menos 50 cm de la brjula. Anote la posicin de la aguja magntica, la cual se ve determinada bsicamente por el campo magntico terrestre. En la animacin, pulse el botn STEP2 y complete la ltima conexin como se indica. De este modo, por el conductor circular una corriente de aprox. 1 A. Cmo se comporta la aguja imantada cuando se cierra el circuito elctrico? Anote lo observado. Qu sucede cuando la aguja de la brjula no se coloca debajo sino por encima del cable por el que circula la corriente? Anote lo observado. 2.- Experimento: Campo magntico de un conductor 2 Se averiguar si es mayor el campo magntico de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente. Adems, se analizar si la polaridad de la corriente ejerce alguna influencia. Modifique el arreglo anterior como se muestra a continuacin: A) Juzgue la intensidad del campo magntico en el interior de un bucle conductor, comparada con la intensidad del campo en un conductor, si por ambos circula la corriente: a) En el caso del bucle conductor la deflexin de la aguja es: . b) El campo magntico del conductor sin bucle es: Permute los terminales del bucle conductor en la alimentacin de corriente. As se modifica la polaridad de la corriente. Qu efecto ejerce este cambio sobre el campo magntico? 3.- Campo magntico de una bobina En muchos equipos elctricos y electrnicos se utilizan componentes que constan de conductores elctricos arrollados. Estos arrollamientos se conocen como bobinas. Como todo conductor por el circula la corriente, las bobinas con corriente tambin presentan un campo magntico:

4.- Verificacin del campo magntico de una bobina Con una brjula se analizar una bobina mientras por ella circula una corriente al igual que cuando no se aplica ninguna corriente. En este caso, se determinarn ciertas propiedades magnticas y la forma de las lneas de campo. Monte el siguiente arreglo experimental: Retire la brjula de su soporte y acrquela lentamente a la bobina. Observe la orientacin de la aguja de la brjula. Complemente el arreglo experimental. La animacin STEP2 muestra la manera de hacerlo. Mueva de nuevo la brjula alrededor de la bobina por la que ahora circula corriente. Observe la direccin de la corriente. Qu se puede afirmar acerca de la orientacin de la aguja de la brjula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina sin corriente? Anote lo observado Qu se puede afirmar acerca de la orientacin de la aguja de la brjula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina por la que circula corriente? Anote lo observado Observe el comportamiento de la aguja de la brjula en diferentes posiciones con respecto a la bobina por la que circula corriente. Por favor, ordene las siguientes afirmaciones: A) La aguja de la brjula se orienta? B) Las lneas de campo describen un arco? La materia en el campo magntico Intensidad de campo H y densidad de flujo B Todas las corrientes elctricas estn rodeadas por campos magnticos. Aqu se diferencia entre dos magnitudes: La intensidad de campo H, conocida tambin como excitacin magntica, se genera nicamente con corriente elctrica verdadera (esto es, mensurable con el ampermetro). Caracteriza el origen del campo magntico. La densidad de flujo B es responsable de la induccin, de la fuerza de Lorentz al igual que de la atraccin y repulsin de los imanes (permanentes). Por esta razn, caracteriza el efecto del campo magntico. La materia en el campo magntico Si una bobina se encuentra en el vaco (o lo suficientemente cercana al campo magntico, en la atmsfera), es vlido lo siguiente: Constante de campo magntico o = 4 10-7 Vs/Am Unidad SI de la intensidad de campo H A/m Unidad SI de la densidad de flujo magntico B T (Tesla) = Vs/m2 B = 0 H Se puede comprobar con facilidad que, con igual corriente I (y, por tanto, con igual intensidad de campo H), la densidad de flujo magntico B vara si se introduce materia en el interior de una bobina. Para la descripcin de este fenmeno, dependiente de la materia, se introdujo la constante de permeabilidad magntica relativa r: r = B (materia) / B (vaco) De acuerdo con la permeabilidad magntica relativa, los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales: Diamagnticos: r < 1 Paramagnticos: r > 1 Ferromagnticos: r >> 1 En los dos primeros grupos, r se aleja de 1 de forma poco significativa. En el caso de los ferro magnetos, se da el caso contrario puesto que r puede alcanzar valores 100.000 veces mayores. Bobina con ncleo de hierro Si se coloca un ncleo de hierro dentro de una bobina, aqul se ver magnetizado por sta. As se produce un electroimn: El campo magntico resultante es mucho ms fuerte que el de la bobina sin ncleo de hierro. 5.- Efecto del ncleo de hierro Con una brjula se analizar una bobina con ncleo de hierro, por la que circula corriente. Se compararn las propiedades magnticas de la bobina con y sin ncleo de hierro. Monte el siguiente arreglo experimental: Qu puede afirmar acerca del comportamiento de la brjula frente a una bobina con ncleo de hierro si se realiza una comparacin con lo que sucede cuando el ncleo se encuentra ausente? Efecto dinmico magntico Se verificar si una fuerza acta sobre un imn que se introduce en una bobina. Monte el siguiente arreglo experimental: Introduzca y saque repetidamente el imn del devanado de la bobina con corriente. Qu se siente? Histresis En los materiales ferromagnticos no existe una relacin lineal entre la densidad de flujo magntico B y la intensidad del campo magntico H. En las Imgenes muestra la curva de magnetizacin.

Si la intensidad de campo H acta sobre un material ferromagntico, la primera vez, ste se comporta de una manera distinta que durante magnetizaciones posteriores. Pulse el botn 1 y podr observar la nueva curva de magnetizacin: (Anote lo observado) Pulse el botn 2 para observar lo que ocurre si la intensidad de campo disminuye: (Anote lo observado) Pulse el botn 3 para observar la manera en que la densidad de flujo B puede llegar a cero: (Anote lo observado) Pulse el botn 4 para observar el bucle completo de histresis: (Anote lo observado) Materiales de magnetismo fuerte y dbil La capacidad de mantener un magnetismo residual elevado o pequeo, es una propiedad de los materiales que permite diferenciarlos entre: magnticamente fuertes y magnticamente dbiles 6.- EXPERIMENTO DE REMANENCIA Se someter un ncleo de hierro a la influencia de un campo magntico y, a continuacin, se verificar su campo magntico residual. Luego se repetir el experimento con la polaridad invertida. Monte el siguiente arreglo experimental: Con un marcador, o con material adhesivo rojo, marque un lado del ncleo de hierro. Inserte y retire repetidamente el ncleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. El punto rojo se dirige hacia abajo. Saque el ncleo de hierro y analcelo con la aguja imantada. A) Conserva el ncleo de hierro propiedades magnticas despus de que el campo ha actuado sobre l? (Mantenga el imn permanente a suficiente distancia) (Anote lo observado) B) Cul polo queda en el extremo marcado con el punto rojo? (Anote lo observado) Repita el experimento e introduzca y retire varias veces el ncleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. Esta vez, el punto rojo se debe dirigir hacia arriba. Retire el ncleo y vuela a analizarlo con la aguja magntica. C) Cul polo queda ahora en el extremo marcado con el punto rojo? (Anote lo observado) Fuerza de Lorentz Si un conductor por el que circula corriente se coloca dentro de otro campo magntico, se producir una interaccin entre ambos campos.

Regla de la mano derecha Un mtodo sencillo para determinar el sentido de la fuerza de Lorentz es la llamada regla de la mano derecha. Las magnitudes velocidad v de los electrones (contraria al sentido tcnico de la corriente) induccin magntica B del campo magntico exterior fuerza F (fuerza de Lorentz)son perpendiculares entre s. Si se conoce el sentido de dos de ellas, con la regla de la mano derecha se puede determinar el sentido de la tercera magnitud. Induccin.- En la electrotecnia se conoce como induccin a la generacin de energa elctrica en un conductor (alambre) debido a un campo magntico variable. La induccin tiene una gran importancia tcnica en la produccin de corriente con generadores y en los transformadores. Ley de la induccin Los procesos fsicos relativos a este fenmeno se describen mediante la ley de la induccin. Una variacin del flujo en el tiempo dF/dt induce en un bucle conductor, que abarca la superficie A, la tensin de induccin. Si el conductor es una bobina con n vuelta, las tensiones parciales inducidas en cada arrollamiento se suman para conformar la tensin total 7.- Experimento 1 de induccin En una bobina sin ncleo se generar una tensin con el movimiento de un imn permanente. Dicha tensin se medir con un voltmetro. Monte el siguiente arreglo experimental: Abra el instrumento virtual voltmetro A del men de instrumentos de medicin o pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes a justes: Rango: 0,5 V, DC Display anlogo Conmutador giratorio en AV (visualizacin de valor medio) Conecte la bobina a un voltmetro. Introduzca y retire varias veces el imn permanente del devanado de la bobina. Qu se puede observar en el voltmetro? (Anote lo observado) 8.- Experimento 2 de induccin Se variar el campo magntico sin realizar ningn movimiento, encendiendo y apagando la corriente en una "bobina de campo". Se observar la tensin inducida en una segunda bobina y se medir esta tensin con un voltmetro. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual voltmetro y realice los siguientes ajustes: Rango: 0,5 V, DC Display anlogo Conmutador giratorio en AV (visualizacin de valor medio) Dos bobinas se encuentran arrolladas alrededor del ncleo de hierro. La bobina 1 est conectada al voltmetro. En la bobina 2 se conecta y desconecta una corriente. Qu se puede observar en el voltmetro? (Anote lo observado) 9.- SUGERENCIAS YCONCLUSIONES COMPROBACIN ANALGICA DE INDUCCIN ELECTROMAGNTICA 5. OBJETIVOS. 1. Estudiar algunos fenmenos de induccin electromagntica. 2. Determinar la relacin entre corriente inducida y la variacin de flujo magntico. 6. FUNDAMENTO TERICO. La induccin electromagntica, es el fenmeno por el cual se produce corriente I en un conductor, debido a las variaciones del flujo magntico que la intercepta. Faraday hacia 1830 descubri este fenmeno el cual se puede realizar por la accin de un imn o por la accin de una corriente. Disponga de una bobina para el caso de la figura 1. N S

v v = 0 v N S N S

a) aumenta b) no vara c) disminuye Figura 1 En (a) el imn se mueve hacia la bobina produciendo una corriente elctrica, denominada corriente inducida. En (b) el imn est en reposo, entonces no hay corriente. En (c) el imn se aleja de la bobina induciendo una corriente, pero en sentido contrario al caso (a). Si movemos el imn con mayor rapidez, la corriente ser ms intensa. Lo anterior se explica asumiendo que cuando acercamos el polo norte del imn a la bobina, la cantidad de lneas que atraviesan la espira (flujo magntico) aumenta apareciendo una corriente inducida, la que cesa cuando detenemos el imn; es decir, la corriente dura slo mientras hay variacin de campo. LEY DE LENZ El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse mediante sus acciones electromagnticas, a la causa que la produce. La corriente inducida I en la bobina es producida por una fuerza electromotriz (fem.) tambin inducida E. Por lo tanto usando la ley de Lenz podemos definir el sentido de la (fem.) inducida. As en el ejemplo anterior al introducir el polo norte del imn. Para esto, en el extremo de la espira prximo al imn se debe formar un polo N, cuya repulsin debemos vencer realizando un trabajo que se transforma en corriente elctrica (polo N frente al polo N). Por el contrario al sacar el imn la corriente inducida crea un campo magntico que atrae al imn, para vencer esta atraccin hay que gastar trabajo que se transforma en corriente inducida de sentido contrario al anterior (polo N frente al polo S). Conociendo los polos de la bobina es posible conocer el sentido del corriente que circula sobre l. FUERZA ELECTROMOTRIZ DE LA CORRIENTE INDUCIDA Experimentalmente Faraday encontr que la fem inducida depende solamente del numero de espira de la bobina y de la velocidad con que varia el flujo magntico que la origina. M : # de espiras E = - M d/dt d : La variacin del flujo magntico dt : tiempo en que efecta la variacin El signo negativo indica que la fem. Obtenida se opone a la variacin del flujo que la origina 7. PROCEDIMIENTO PROPIEDADES MAGNTICAS DE LOS SOLENOIDES. Conecte el solenoide tal como indica el circuito de la figura 2, manteniendo la posicin relativa del solenoide y comps. Cierre la llave y anote la direccin en el cual el polo norte de la aguja es deflactada. Anote tambin la direccin de la corriente alrededor de la hlice que constituye el solenoide. (Invierta el sentido de la corriente y haga las mismas anotaciones.) Figura 02 EL PRINCIPIO DEL ELECTROIMN Coloque el solenoide en direccin este-oeste del comps de modo que la aguja no est deflactada ms de 10 con respecto al eje del solenoide cuando la llave est abierta. Cierre la llave y anote la posicin. Invierta la corriente y anote la posicin de la aguja. Inserte ahora el tornillo de metal en el interior de la bobina. Qu observa? FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA Conecte las terminaciones de un solenoide al galvanmetro como muestra la figura 3. Examine la direccin en la cual el alambre de la bobina est arrollada. Induciendo el imn tal como se indica en la figura 3, anote la deflexin del galvanmetro, en cada caso (hacia arriba, hacia abajo y determine de qu modo en la figura fluye la corriente alrededor de la bobina, es horario o antihorario). Figura 03 Mirando de arriba hacia abajo y moviendo el imn hacia adentro, se observa una deflexin en sentido horario en el galvanmetro, produciendo lo contrario al alejar el imn. Al cambiar la rapidez del movimiento del imn se produce lo anteriormente pero con mayor intensidad. La polaridad producida en la bobina por la corriente inducida, se hallara con la regla de la mano derecha. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA ENTRE DOS CIRCUITOS Alinee dos solenoides de modo que sus ejes estn paralelos y los enrollamientos estn en la misma direccin, como se indica en la figura 4. El solenoide conectado a una pila se denomina primario o inductor y el otro es el secundario o inducido. Con la llave cerrada mover la bobina primaria hacia atrs o hacia adelante como se hizo con el imn. Si la aguja del galvanmetro se reflecta demasiado reduzca la corriente en el primario. Observe las direcciones de la corriente en el secundario y haga los diagramas similares al mostrado en cada uno de los diagramas debe indicar lo siguiente: 1) La direccin de la corriente en el primario 2) La direccin del movimiento del primario (hacia o desde el secundario) 3) La direccin de la corriente inducida en el secundario. Qu sucedera si en lugar del primario se mueve el secundario? Con la bobina primaria cerca de la secundaria, vare la corriente en el primario bruscamente, abriendo o cerrando el circuito. Observe la amplitud relativa de la deflexin de la aguja del galvanmetro. Registre sus observaciones en dos diagramas de un amanera similar a la sugerida anteriormente mostrando en estos casos cuando la llave ha sido cerrada y cuando ha sido abierta. Figura 3

Figura 04 8. CUESTIONARIO 1. Qu relacin observa usted entre la conducta de un solenoide por el que pasa corriente elctrica y un imn de una barra? 2. Mencione por lo menos dos reglas prcticas para determinar la polaridad de un solenoide que lleva corriente elctrica 3. Qu efecto produce la insercin de una varilla metlica en el interior de una bobina que lleva una corriente elctrica? 4. Usando la ley de Lenz, indique el sentido de la corriente elctrica y la polaridad en el sentido de la figura 3 cuando el imn se aleja. 5. De la figura 4 con la llave cerrada y con la idea de que el flujo magntico en el secundario aumente o disminuye a medida que acerquemos o alejemos el primario, enuncie una regla practica para determinar la polaridad en el inducido. 12ava edicin 57 12ava edicin 57