Campo Magnético II 2016
September 9, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA CENTROAMERICANA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y MATEMÁTICAS FÍSICA III UÍA
G
AMPO
#6: C
AGNÉTICO
M
COORDINADOR : FRANCISCO JAVIER SOLÓRZANO PRESENTADO POR :
AMOS HELEN ANGÉLICA R AMOS
JENNIFER PAOLA CHÁVEZ CARDONA CAMPUS TEGUCIGALPA FECHA DE ENTREGA: MAYO 26 DE 2016
RESUMEN INTRODUCTOR INTRODUCTORIO IO OBJETIVOS Parte A 1. Reconocer las líneas de campo magnético de un imán recto y concebir una idea espacial de esas líneas de campo. 2. Reconocer la configuración de las líneas de campo ca mpo entre polos opuestos y entre polos iguales.
Parte B 1. Modelar el campo magnético de la Tierra mediante un imán recto 2. Calcular el campo magnético de la Tierra 3. Comprobar que una corriente produce campo magnético
PRECAUCIONES EXPERIMENTALES Parte A Ser lo más cuidadoso posible para no desperdiciar las limaduras de hierro. Utilizar la cantidad necesaria de limaduras de hierro para poder observar las líneas de campo. Alinear la hoja con la brújula y fijarla correctamente a la mesa.
Parte B Tomar datos en el mesón que está lejos de las líneas de alta tensión de la universidad. Quitarse todos los elementos que puedan interferir en la práctica (objetos metálicos, relojes, aritos, celulares etc.) Alinear la brújula al centro del transportador colocado dentro de la bobina Helmholtz. Alinear la bobina de Helmholtz hacia el norte. Colocar la bobina de Helmholtz en el centro de la mesa ya que los metales que tiene la mesa en la orilla puede afectar en las mediciones de la brújula. Tener en operación la fuente.
RESUMEN DEL TRABAJO REALIZADO PARTE A Se explica sobre el comportamiento de polos geográficos y magnetos de la tierra. Luego se procede con las configuraciones de imanes rectos con el objetivo de observar las líneas de campo para las diferentes configuraciones, para esto hacemos uso de las limaduras de hierro, haciendo las respectivas fotografías. Luego dibujamos las líneas de campo mediante la ayuda de una brújula.
PARTE B Con la bobina de Helmholtz conectada a la fuente y resistencias, se orienta al norte, y se varía la corriente de manera que la aguja de la brújula indique los ángulos correspondientes de la hoja de datos. Esto se realiza con el fin de determinar la componente horizontal del campo magnético terrestre.
REGISTRO DE DATOS Y RESULTADOS PARTE A Dibujo o foto de la imagen que forman las limaduras de hierro en la a. actividad A.1 (un solo imán).
b. Dibujo o foto de la imagen que forman las limaduras de hierro en la actividad A.2 (dos imanes de signo igual).
Dibujo o foto de la imagen que forman las limaduras de hierro en la c. actividad A.3 (dos imanes de signo distinto).
Las posiciones que adquieren las limaduras de hierro corresponden a d. las líneas de campo en e n el plano del papel. Para cada configuración, describa esas líneas, poniendo de relieve las diferencias en las direcciones que manifiestan las repulsiones o atracciones Un solo imán
Las posiciones que adquieren las limaduras de hierro corresponden a curvas que “salen” del polo norte y “entran” al polo sur.
Dos imanes de
En este caso las líneas formadas por cada imán son las mismas que para un solo imán. La diferencia es que en medio de los dos imanes no existe ninguna línea de campo ya que los signos iguales se repelen. Contrario al caso anterior, cuando se ponen dos imágenes
distinto signo
de signos distintos, se forman líneas de campo entre ellos que salen del polo norte y entran al polo sur.
Dos imanes de igual signo
S
N
Con respecto a las imágenes de los incisos a, b y c, dibuje mediante e. algún editor de imágenes las líneas de campo para cada configuración incluyendo la dirección de éstas.
S
N N
S
S
f.
N S
Hoja con las líneas de campo de la actividad A.4.
N
Describa el movimiento de la brújula en la Actividad B y compare g. esta trayectoria con las líneas de campo obtenidas con las limaduras de hierro. La trayectoria de la brújula y las líneas de campo obtenidas con limaduras de hierro son iguales. Ambas forman curvas que salen del polo norte y entran al polo sur.
CUESTIONARIO 1. ¿Cómo discurrirían las líneas de campo que no están trazadas en la hoja de la actividad A.4? Incluya una imagen para justificar su respuesta. Las líneas que no están trazadas en la hoja tendrán la misma forma que las líneas de un solo imán, las cuales salen por el norte y entran por el sur.
2. Las distintas configuraciones de líneas que han mostrado las limaduras muestran que éstas ‘salen’ del polo norte y ‘entran’ al polo sur de cada
imán. ¿Es esto realmente cierto? Explique si las líneas de campo magnético son abiertas o cerradas y por qué. En la práctica de laboratorio laborato rio se comprobó que las líneas de campo salen del norte y entran por el sur. Las líneas de campo que atraviesan el imán son cerradas; debido a que el flujo magnético total en una superficie cerrada es cero puesto que las mismas líneas que salen vuelven a entrar:
∮ ⃗ ∙⃗ = 0
3. Cuándo usted colocó la brújula en los puntos señalados en la actividad A.4, ¿por qué la aguja no marcaba ni el norte ni el sur? Esto ocurre debido a que el imán i mán distorsiona la dimensión del campo generado por la tierra en las regiones r egiones cercanas impidiendo que esta marque al norte.
4. Señale dos o tres aparatos o elementos que distorsionarían la dirección que marcaría la aguja de la brújula si deseara ubicar el norte estando en el laboratorio de física. Incluya al menos uno que un estudiante pueda andar.
Principalmente celulares, relojes, joyas, computadoras. Ya que un campo magnético es generado por una corriente a través de un cable conductor. Por esto es que cualquier aparato eléctrico podría desviar la aguja. Aunque sea de manera pequeña, aparatos como los generadores de carga, los multímetros, generadores de onda, computadoras, entre otros, podrían distorsionar la dirección a la que apunta la brújula.
5. Investigue sobre el comportamiento de los átomos de hierro que permite que las limaduras se orienten en la dirección de las líneas. Describa y explique la configuración de “dominios magnéticos”
característica de metales como el hierro (ferromagnéticos). Se sugiere leer la sección 28.8 de su libro Física Universitaria. En los materiales ferromagnéticos, se produce un ordenamiento a nivel atómico haciendo que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido al aplicar una intensidad de flujo magnético (H). Los ferro-magnetos están divididos en dominios magnéticos, y al aplicar un campo magnético se convierte en un mono dominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo.
REGISTRO DE DATOS PARTE B Campo Magnético Ángulo
Mediciones de corriente M1
M2
M3
Promedio
M4
Promedio Valido (PV)
20
0.064
0.063
0.063
0.063
0.06325
0.063
30
0.095
0.098
0.096
0.098
0.09675
0.097
40
0.143
0.141
0.143
0.142
0.14225
0.142
50
0.194
0.198
0.194
0.198
0.196
0.196
60
0.275
0.277
0.272
0.275
0.27475
0.275
70
0.437
0.441
0.447
0.448
0.44325
0.443
80
0.867
0.865
0.867
0.865
0.866
0.866
Desviaciones (Mx-PV)
Ángulo
1
2
3
4
Desviación
Desviación
Promedio
Promedio Valido
20
0.001
0.000
0.000
0.000
0.00038
0.000
30
0.002
0.001
0.001
0.001
0.00125
0.001
40
0.001
0.001
0.001
0.000
0.00075
0.001
50
0.002
0.002
0.002
0.002
0.00200
0.002
60
0.000
0.002
0.003
0.000
0.00137
0.001
70
0.006
0.002
0.004
0.005
0.00425
0.004
80
0.001
0.001
0.001
0.001
0.00100
0.001
Desviación Error Instrumental
Promedio Válida
Error Error Total Porcentual
20
0.001
0.000
0.001
2.174
30
0.001
0.001
0.002
2.326
40
0.001
0.001
0.002
1.230
50
0.001
0.002
0.003
1.531
60
0.001
0.001
0.002
0.864
70
0.001
0.004
0.005
1.184
80
0.001
0.001
0.002
0.231
Ángulo
CÁLCULOS Calcule Bterrestre mediante la siguiente formula:
= á = ℎ =
Dónde: =
Ángulo
I (A) Promedio
Bel (T)
Tangente Cotangente
Bterr (T)
20
0.065
1.05E-05
0.364
2.747
2.88E-05
30
0.100
1.61E-05
0.577
1.732
2.80E-05
40
0.143
2.31E-05
0.839
1.192
2.75E-05
50 60
0.205 0.293
3.31E-05 4.73E-05
1.192 1.732
0.839 0.577
2.78E-05 2.73E-05
70
0.481
7.77E-05
2.747
0.364
2.83E-05
80
0.984
1.59E-04
5.671
0.176
2.80E-05
Bterr (T) Promedio
2.796E-05
= 2.796 × 10− =
ESULTADOS R ESULTADOS 1. El valor obtenido para el campo magnético terrestre para cada valor de corriente.
I (A) Promedio
Bterr (T)
0.065 0.100 0.143 0.205 0.293 0.481 0.984
2.88E-05 2.80E-05 2.75E-05 2.78E-05 2.73E-05 2.83E-05 2.80E-05
2. La recta B vs. Tanθ, que le ha de dar como pendiente el campo magnético promedio obtenido en la experiencia. (Nota: Seleccione intercepción en el origen) Bh vs. Tanϴ 1.80E-04 y = 3E-05x R² = 0.9999
1.60E-04 1.40E-04 1.20E-04 1.00E-04
h B
8.00E-05 6.00E-05 4.00E-05 2.00E-05
0.00E+00 0.000
1.000
2.000
3.000 Tanϴ
4.000
5.000
6.000
3. Compare sus resultados con el valor real del campo magnético que puede consultar en páginas de Geofísica en Internet, y calcule el error porcentual.
Página Web
Bhterre (nT) Calculado Teórico
Error (%)
NOAA
2.76E-05
2.80E-05
1.287%
BGS
2.76E-05
2.80E-05
1.287%
CUESTIONARIO 1. Si la brújula se asegura en el centro de la bobina, ¿Cuál es la expresión que define la magnitud del campo magnético en el centro de la bobina? R/ El El campo magnético debido producido por una bobina en un punto está dado por:
= 2 µ +/
Según las características de una bobina de Helmholtz, los embobinados están separadas por una distancia R, por lo tanto, el centro de la bobina tendría una distancia de R/2 con respecto a cada una de los embobinados. Por lo tanto, el campo magnético en ese punto debido a cada embobinado sería:
µ = / 2 + 2
Debido a que una bobina de Helmholtz se compone de 2 embobinados, el campo total está dado por:
2µ = 2 ( + + 4 )/
Simplificando la expresión obtenemos que el campo magnético en el centro de una bobina de Helmholtz está dado por:
4 = (5) µ
2. Utilizando las características de la bobina utilizada en la experiencia, con una corriente de I=0.03A, y un ángulo θ=10°, calcule la componente horizontal del campo magnético terrestre. R/
µ
= (4) cot 410 −29 4 290.0. 033 cot10° 5 = (5) 0. 1 615 = 2.747110−
3. Analice las características de potencia, amperaje y voltaje del circuito y señale el porqué de utilizar en la experiencia, resistores de baja potencia. R/ La La potencia es inversamente proporcional a la resistencia.
= Entonces al disminuir la resistencia, la potencia del circuito aumenta, y a su vez aumenta la intensidad de la corriente (Amperaje), puesto que esta es directamente proporcional a la potencia.
=
Puesto que la intensidad del campo magnético de la bobina es directamente proporcional a la corriente (I), por lo tanto, a medida la resistencia disminuye es más fácil manipular la magnitud del campo magnético, es decir que se puede producir más ángulos resultantes, lo que mejora la precisión de los cálculos del campo magnético terrestre.
4. ¿Qué ventajas nos ofrece utilizar una bobina de Helmholtz para éste experimento? R/ Debido a las características de una bobina de Helmholtz, el campo magnético producido en el centro de la bobina es uniforme. Entre más cerca del centro de la bobina se coloque la brújula, más uniforme será el campo. Adicionalmente permite crear campos magnéticos de mayor magnitud con corrientes más pequeñas.
5. Si se tuviera todos los materiales y recursos necesarios para realizar este experimento, en las situaciones siguientes: cerca de una línea de alta tensión, dentro de una jaula de Faraday y al aire libre (Bosque), ¿Dónde se obtendría los mejores datos? ¿Por qué? Al comparar los ambientes en el que se realizarían las pruebas creemos que R/ Al el mejor lugar para realizar el experimento seria al aire libre, pues no hay aparatos o materiales que puedan distorsionar o alterar el campo magnético que se quiere medir, el estar al aire libre implica una mejor facilidad para captar
el campo magnético de la tierra y además ayuda a que las mediciones a realizar sean más exactas y el error experimental tienda cada vez más a cero.
6. ¿Qué características de diseño de la bobina del Helmholtz se puedes cambiar para aumentar el campo magnético producido? R/ En En base a la fórmula del campo magnético en una bobina de Helmhotz:
=
. Para poder aumentar el campo magnético producido por la bobina, podríamos diseñar una bobina con un número mayor de vueltas y de esta forma aumentar el campo magnético producido por la misma.
7. Investigue en relación con esta experiencia, la que realizó por primera vez Oersted. Exponga en qué consistió y qué aspecto central del campo magnético sirvió para demostrar. R/ El danés Hans Christian Öersted (1777-1851), realizó por primera vez un experimento que mostró la existencia de una relación entre la electricidad y el magnetismo. En 1813 había predicho esa relación, y en 1820, mientras preparaba su clase de física en la Universidad de Copenhague, comprobó que al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica, la aguja tendía a orientarse para quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. La diferencia fundamental de la experiencia de Oersted con intentos anteriores que habían dado resultado negativo es el hecho de que en el experimento de la espira y la corriente las cargas que interaccionan con el imán están en movimiento. Teniendo en cuenta este hecho Ampere (1775-1836), poco después de conocer el resultado del experimento de Öersted, planteó formalmente que toda corriente eléctrica produce un campo magnético. El propio Ampere utilizó este concepto para anticipar una explicación del magnetismo natural y formalizó estos desarrollos en términos matemáticos.
8. Se sabe que el campo magnético se asocia con cargas en movimiento (corriente eléctrica). En el caso de los imanes es diferente, ya que no aplicamos corriente eléctrica en ellos que pueda generar el campo magnético observado. Investigue. ¿A qué se debe entonces que éstos elementos tengan las propiedades magnéticas que observamos en ellos? Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales son producto R/ Las de los momentos magnéticos asociados con co n los electrones individuales. Cuando el electrón gira alrededor del núcleo, se convierte en una carga eléctrica en movimiento, por lo que se genera un momento magnético. El momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos magnéticos generados por los electrones. Si incluyen los momentos orbitales, de rotación, y el hecho que los momentos pueden cancelarse. Dependiendo de su momento magnético total, los elementos se clasifican en Diamagnéticos, Paramagnéticos y Ferromagnéticos.
9. Extra:
¿En
el
montaje
realizado
para
observar
el
campo
electromagnético se utiliza corriente directa, que sucedería si la fuente de poder fuese de corriente alterna y a esta se le agregara un diodo de silicio? (Investigue el fenómeno de polarización inversa y directa en un diodo y las características de una fuente de poder alterna) R/ Al ser una fuente de poder alterna su estado con respecto al tiempo se encuentra en contante cambio lo que implica un momento en que el voltaje entre las terminales del diodo estará polarizado inversamente lo que implicará una I=0A. De este modo habrá una oscilación por parte de la brújula. A bajas frecuencias el fenómeno podrá ser visible al ojo humano.
En el esquema presentado se observa como la mitad del ciclo se encuentra en la zona negativa del cuadrante (rellenada en color verde), lo que implicará una polarización inversa del diodo dando como resultado la pérdida completa de este medio ciclo que se verá reflejado como un retorno al norte en la aguja.
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