Laboratorio de Física III Inducción Electromagnética
INDUCCION ELECTROMAGNETICA
OBJETIVOS
1.- estudiar algunos fenómenos de inducción electromagnética.
2.- determinar las relaciones entre corriente inducida y la variación del flujo
magnético.
MATERIALES
Galvanómetro
Solenoides (2)
Compás magnético
Imanes (2)
Llave de tipo presión regresiva
Reóstato
Tornillo de metal
Fuente de voltaje VCD
Conexiones
FUNDAMENTO TEORICO
La corriente inducida en un sentido tal que se opone a la caída que la produce.
La ley de Lenz se refiere a las corrientes inducidas, lo cual quiere deducir que se aplica
solamente a circuitos cerrados. Si el circuito está abierto, ordinariamente podemos
pensar en función de lo que ocurría si fuera cerrado y de esta manera podemos
encontrar el sentido de la FEM inducida.
La fig. Muestra el polo norte de un imán y una sección transversal de una espira
conductora cercana. Conforme introducimos el imán en la espira se produce en ésta una
corriente inducida.
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Una espira de corrientes produce un campo magnético en puntos alejados similar
al campo magnético de un dipolo, siendo una cara del depila un polo norte, y la cara
opuesta un polo sur.
El polo norte, lo mismo que en los imanes rectos, es la cara de donde salen las
líneas de B. Si, como prevé la ley de Lenz, la espira de la fig. Debe oponerse al
movimiento del imán hacia ella, la cara de la espira dirigida hacia el imán se repele. La
regla de la mano derecha muestra que, el campo magnético producido por la espira
salga por la derecha a la espira, la corriente inducida debe tener el sentido indicado en
la figura, la corriente estará en el sentido contrario al de las manecillas del reloj si la
vemos colocadas desde el sitio donde está el imán que se acerca a la espira.
Cuando aplicamos una fuerza sobre el imán para hacerlo entrar a la espira (o a la
espira para moverla hacia el imán), aparece una corriente inducida. En función de la ley
de Lenz esta fuerza de empuje es el “cambio” que produce la corriente inducida se
opondrá al “empuje”.
Si jalamos el imán sacándolo de la bobina, la corriente inducida se opondrá al
“jalón”, creando un polo sur en la cara derecha de la espira de la fig. Para construir en
la cara derecha un polo sur, la corriente debe ser opuesta a la que se muestra en la fig.
Ya sea que empujemos o jalemos el imán, siempre hay una oposición automática a su
movimiento.
e = - M (df / dt)
El agente que hace que el imán se mueva, ya sea hacia la bobina o alejándose de
ella, siempre tendrá que vencer una fuerza que se le oponga y, por consiguiente, tendrá
que hacer trabajo. De acuerdo con el principio de la conservación de la energía, este
trabajo hecho sobre el sistema debe ser exactamente igual al calentamiento por el efecto
de Joule producido en la Bobina, puestos que éstos son los dos únicos cambios de
energía que ocurren en el sistema si movemos el imán más rápidamente, tendremos que
Laboratorio de Física III Inducción Electromagnéticahacer trabajo con mayor rapidez y la rapidez de calentamiento por el efecto Joule, no
habrá ninguna fuerza sobre el imán, y no se requerirá ningún trabajo para moverlo.
Sin embargo, habrá un FEM en la espira, lo mismo que en una batería conectada
a un circuito abierto, no producirá corriente.
FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA ENTRE DOS CIRCUITOS.
Alinear dos solenoides de modo que sus ejes estén paralelos y los enrollamientos
están en la misma dirección (ambos en forma antihoraria). Tal como se indica en la fig.
El solenoide conectado a una pila se denomina primario o inductor el otro
secundario o inducido. Con la llave cerrada mover la bobina atrás o hacia adelante
como se hizo con el imán.
Para la corriente, cuando va en sentido
antihorario. En este caso, se observa que la
aguja del compás gira a la derecha, en
sentido horario. Esto es porque la espira
queda polarizada positivamente “N” (norte)
y esto ocasiona la repulsión del polo norte
de las agujas del compás.
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PARTE EXPERIMENTAL
PROPIEDADES MAGNETICAS DE LOS SOLENOIDES.
Conecte el solenoide tal como indica el circuito de la figura , manteniendo la
posición relativa del solenoide y compás. Cierre la llave y anote la dirección en el cual
el polo norte de la aguja es deflectada. Anote también la dirección de la corriente
alrededor de la hélice que constituye el solenoide. Invierta el sentido de la corriente y
haga las mismas anotaciones.
Luego se haber conectado el solenoide al circuito de la fig., analizaremos lo que
pasa con el compás luego de cerrar la llave, para esto utilizaremos una corriente que va
en sentido horario, tal como se indica en la siguiente figura.
Al cerrar la llave del shunt se puede se pude observar, que la aguja del compás
gira hacia la izquierda, o sea en sentido antihorario. Esto se debe al que la espira que da
polarizada con “S” (sur) y esto ocasiona la atracción del polo norte de la aguja del
compás.
Lo único que varía es la inserción del tornillo dentro de la bobina. Y lo que se
puede observar al hacer este procedimiento es que la aguja del compás gira con mayor
fuerza, es decir se desvía en un ángulo mayor al anterior.
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EL PRINCIPIO DEL ELECTROIMAN.
Coloque el solenoide en dirección Este - Oeste del compás de modo que la aguja
no esté deflectada más de 10º respecto al eje del solenoide cuando la llave está abierta.
Cierre la llave y anote la posición. Invierta la corriente y anote la posición de la aguja.
Inserte ahora el tornillo de metal en el interior de la bobina. La posición del compás
respecto al solenoide, es la misma del procedimiento anterior, como se indica en la
siguiente figura .
FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA
Conecte los terminales de un solenoide al galvanómetro como se muestra en la
fig. Examine la dirección en la cual el alambre de la bobina está desarrollada,
induciendo el imán tal como se indica en la figura. Anote la deflexión del
galvanómetro, en cada caso (hacia arriba, hacia abajo) y determine de que modo fluye
la corriente alrededor de la bobina (horario o antihorario). Mirando de arriba hacia
abajo y moviendo el imán adentro y hacía afuera, observe lo siguiente y registre en su
informe. Para este caso metemos el imán, con una cierta velocidad, y al observar el
galvanómetro, la aguja indica un valor negativo.
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CUESTIONARIO
1. ¿Qué relación observa entre la conducta de un solenoide por el que pasa
corriente eléctrica y un imán de una barra?
El cambio en la intensidad del campo magnético en el solenoide primario induce
un voltaje en un solenoide secundario abriendo y cerrando el interruptor del solenoide
primario.
En el caso de un imán la magnitud del voltaje inducido por él a la espira
secundaria depende de que tan rápido se meta y saque el imán del solenoide.
2. Mencione por lo menos dos reglas prácticas para determinar la polaridad de un
solenoide que lleva corriente eléctrica.
· Para saber la polaridad de un solenoide es necesario saber el sentido de la corriente,
vemos que, por el lado por donde entra la corriente, viene a ser el lado sur, y por
donde sale la corriente el norte del solenoide.
· Se pude observar también que a la hora de introducir, por el lado norte del imán, al
solenoide se observa hay una fuerza que nos ofrece resistencia, entonces podemos
ver que se refiere al lado norte del solenoide.
3. ¿Qué efecto produce la inserción de la varilla metálica en el interior de una
bobina que lleva una corriente eléctrica? ¿Cómo sería la configuración de las
líneas de fuerza magnética?
Análisis microscópico : En la mayoría de las sustancias, los efectos magnéticos de las
corrientes orbitales y del spin electrónico en los átomos constituyentes, se hallan
anulados debido al hecho que existen tantos electrones que se mueven en un sentido
como en otro (sus spines se hallan apareados), solamente en algunos tipos de átomos
como el Cu+, Ni2+, Fe, Co, etc. No existe la cancelación antes mencionada, aquí que
Laboratorio de Física III Inducción Electromagnéticatales átomos posean un momento dipolar magnético neto. Por ejemplo, las propiedades
magnéticas del átomo de hierro se debe al hecho que tiene 4 electrones apareados.
Por lo tanto, se puede llegar a la conclusión de que la inserción de la variable
metálica en el interior de una bobina que lleva una corriente eléctrica es para
intensificar el campo magnético producido por la corriente a través de ella.
4. Usando la Ley de Lenz, indique el sentido de la corriente eléctrica y la
polaridad en el solenoide de la figura 3, cuando el imán se aleja. Explique.
Como sabemos por la Ley de Lenz, que el sentido de la corriente inducida es tal
que tiene que oponerse mediante sus acciones electromagnéticas a las causas que la
produce, por lo tanto la configuración es la siguiente:
La espira queda polarizada
positivamente.
5. De la fig. 4 con la llave cerrada y con la idea que el flujo magnético en el
secundario aumento o disminuye a medida que acercamos o alejamos el
primario. Anuncie una regla para determinar la polaridad.
El solenoide primario se comporta como un imán por lo cual se pueden obtener las
mismas conclusiones que se obtienen al usar un imán como inductor. O sea cuando se
acerca el primario, el secundario queda polarizado negativamente y cuando se aleja el
primario, el secundario cambia de polaridad.
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Si la aguja del galvanómetro se deflecta demasiado reduzca la corriente en el
primario. Observe las direcciones de la corriente en el secundario y como parte del
informe haga dos diagramas similares al mostrado. Primero analizaremos este caso,
moviendo el primario:
Para este caso, acercamos el primario a una cierta velocidad, y se puede observar una
corriente inducida marcando un valor negativo.
En el caso cuando alejamos el primario con velocidad v, y observamos el galvanómetro
la aguja nos indica un valor positivo.
CONCLUSIONES
· Cuando se abre o se cierra el interruptor de la bobina secundaria detecta una
corriente. Pero si el interruptor permanece cerrado no registra corriente
alguna al menos que se produzcan cambios en el campo.
· El voltaje inducido en una bobina es proporcional al producto del número de
espiras por la rapidez con lo que cambia el campo magnético en el interior
de las espiras.
· la bobina tiene un número mayor de espiras, por lo tanto es mas difícil
introducir el imán, pues el campo magnético de cada una de las espiras se
opone a su movimiento.