Inducción_magnética

Universidad Nacional Mayor de San Marcos - UNMSM

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS ( Unive ni verr sid si dad del Pe P er ú, D ecana cana de A mér i ca) ca)

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Experiencia N°11: “Inducción electromagnética” Profesor: Arnulfo Guillen Guevara. Alumnos: Areche Ureta, Katia Luz Carazas Vivanco, Ximena Victoria Ramirez Contreras, Luis Emilio Davalos Cacata, Flavio Cesar De la Cruz Crisostomo, George Horario: Miércoles 08:00- 10:00 am Lima-Perú 2017-I

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ELECTROMAGNETISMO 1. FUNDAMENTO TEÓRICO Electromagnetismo La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados, pues la corriente eléctrica manifiesta un efecto magnético. El electromagnetismo abarca los fenómenos físicos que tienen que ver con el efecto de las cargas y corrientes eléctricas, y las fuerzas que resultan de estos fenómenos. En 1819, el físico y químico danés Hans Christian Oersted (1777 a 1851) descubrió que una aguja imantada se desvía por la corriente que circula a través de un alambre, con lo que fundó el Electromagnetismo. En los años siguientes, aproximadamente a partir de 1822, el físico y químico Británico Michael Faraday se ocupó del estudio del efecto contrario, es decir, la Conversión del magnetismo en electricidad. En 1831 pudo demostrar las Primeras  pruebas, publicando sus trabajos bajo el concepto de "inducción Electromagnética", trabajo que lo hizo famoso: Campo magnético de un conductor 1

Campo magnético alrededor de un conductor eléctrico Todo conductor eléctrico por el que circula una corriente genera un campo magnético. Dicho campo se origina debido a que los portadores de carga (Electrones) se mueven dentro del conductor. La siguiente animación muestra el campo magnético generado por un conductor por el que fluye una corriente:

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Un conductor por el que circula corriente está rodeado por líneas de campo Concéntricas. Para determinar el sentido de las líneas de campo se puede aplicar la llamada "regla del tornillo": Las líneas del campo magnético rodean el conductor por el que circula corriente en la misma dirección en la que habría que girar un tornillo (de rosca derecha)  para apretarlo en el sentido técnico del flujo de la corriente.

Campo magnético de una bobina En muchos equipos eléctricos y electrónicos se utilizan componentes que constan de conductores eléctricos arrollados. Estos arrollamientos se conocen como bobinas. Como todo conductor por el circula la corriente, las bobinas con corriente también  presentan un campo magnético:

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Fuerza de Lorentz Si un conductor por el que circula corriente se coloca dentro de otro campo magnético, se producirá una interacción entre ambos campos.

Regla de la mano derecha Un método 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 técnico de la corriente) Inducción magnética B del campo magnético exterior. Fuerza F (fuerza de Lorentz) son perpendiculares entre sí. 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.

Inducción En la electrotecnia se conoce como inducción a la generación de energía eléctrica en un conductor (alambre) debido a un campo magnético variable. La inducción tiene una gran importancia técnica en la producción de corriente con generadores y en los transformadores; también opera sobre motores eléctricos, la vitrocerámica de inducción y la mayoría de las demás máquinas eléctricas.

Inducción Electromagnética La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la  producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quién lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday). Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

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Ley de Faraday La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se  basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como  borde. Matemáticamente se puede expresar como:

 



d  B dt 

Donde:

= Fuerza electromotriz en voltios Φ = Flujo magnético en weber d     B.dA = flujo magnético a través del circuito; A=área t = Tiempo en segundos  

Y el signo − es debido a la Ley de Lenz. Si el circuito trata de una bobina formada por N espiras, todas ellas de la misma superficie, y si  B  es el flujo magnético a través de una espira, habrá una fem inducida en todas las espiras. Las espiras están en serie, por lo que su fem se suman; de ahí que la fem total inducida en la bobina esté dad por la expresión:

 

  N 

d  B dt 

Suponga una espira que encierra la superficie A se encuentra en un campo magnético uniforme B. El flujo magnético a través de la espira es igual a BAcos, de ahí que la fem inducida puede expresarse como:  

d  



dt 

( BA cos  )

De esta expresión, observamos que la FEM puede ser inducida en el circuito en varias formas:

-

La magnitud de B puede cambiar con el transcurso del tiempo. El área encerrada por la espira puede cambiar con el transcurso del tiempo.

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-

El ángulo     existente entre B y la normal de la espira puede cambiar con el transcurso del tiempo. Cualquier combinación que pueda ocurrir entre los puntos.

Ley de Lenz El sentido de la corriente inducida se puede obtener de la ley de lenz que establece que, el sentido de la corriente inducida será tal que su flujo se opone a la causa que la produce. En las figuras se puede observar que cuando el imán se acerca a las espiras, el flujo magnético a través de las espiras aumenta. De acuerdo con la Ley de Lenz, las corrientes inducidas deben crear flujos , que se deben oponer al aumento del flujo inicial, y los sentidos de las corrientes serán los indicados.

Con la polaridad de la tensión inducida creada, es tal, que la corriente eléctrica resultante produce un campo magnético que se opone al campo magnético que lo creó.

El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado  por:

Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz,  quien la formuló en el año 1834.

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Fuerza Electromotriz (F.E.M.) Se denomina fuerza Electromotriz (F.E.M.) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica (pilas, baterías, máquinas electromagnéticas, etc.). Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de  bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado. Se define como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad de  carga positiva del  polo negativo al positivo, dividido por el valor en Coulombs de dicha carga. Esto se  justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario realizar un trabajo o consumo de energía (mecánica, química, etcétera) para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial (el polo negativo al cual llega) a otro de mayor potencial (el polo positivo  por el cual sale). La f.e.m. se mide en voltios,  al igual que el  potencial eléctrico. Se relaciona con la diferencia de potencial entre los bornes y la resistencia interna del generador mediante la fórmula E=V+Ir (el producto Ir es la caída de potencial que se  produce en el interior del generador a causa de la resistencia óhmica que ofrece al paso de la corriente). La f.e.m. de un generador coincide con la diferencia de potencial en circuito abierto. La fuerza electromotriz de inducción (o inducida) en un circuito cerrado es igual a la variación del flujo de inducción Φ del campo magnético que lo atraviesa en la unidad de  E   

d 

dt  (Ley de Faraday). El signo - indica que tiempo, lo que se expresa por la fórmula el sentido de la f.e.m. inducida es tal que se opone a dicha variación (Ley de Lenz).

Fuerza Electromotriz Inducida La posibilidad de producir corriente eléctrica en un circuito eléctrico, que por si mismo es neutro. Esta posibilidad le llega desde fuera (sin contacto) cuando se mueve en un campo magnético, o si estando quieto el campo varía. Viene determinada por las leyes de Lenz. Casi la totalidad de la energía eléctrica que consumimos es generada haciendo uso de esta fuerza electromotriz inducida, en máquinas que combinan mediante el movimiento imanes (o electroimanes) y conductores.

Solenoide Hilo metálico enrollado en hélice sobre un cilindro, que cuando es recorrido por una corriente eléctrica, crea un campo magnético comparable al de un imán recto. La función  principal de un solenoide es activar una válvula que lleva su mismo nombre, la válvula solenoide. Esta válvula opera de acuerdo a los pulsos eléctricos de su apertura y de su cierre.

Electroimán Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.

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Ecuaciones de Maxwell Estas ecuaciones se consideran como base de todos los fenómenos eléctricos y magnéticos. Desarrolladas por James Clerk Maxwell, son tan fundamentales para los fenómenos electromagnéticos como las leyes de Newton para los fenómenos mecánicos. La teoría que desarrolló Maxwell trascendió más de lo que hubiera podido imaginar, porque resultó completamente de acuerdo con la teoría especial de la relatividad, tal como lo demostró Einstein en 1905. Las ecuaciones de Maxwell representan las leyes de electricidad y del magnetismo ya analizadas, pero tienen consecuencias adicionales de importancia. Por razones de simplicidad, las ecuaciones de Maxwell aplicadas al espacio libre, esto es en ausencia de cualquier material dieléctrico o magnético. Cuando las ecuaciones de Maxwell son utilizadas con la fuerza de Lorentz, que vimos anteriormente, estos es F=qE+qvXB, describen todos los fenómenos electromagnéticos:



 E .dA 

q

Ley de Gauss-Campo eléctrico

o

  B.dA   0



 E .ds



 B.ds



Ley de Gauss-Campo magnético d  B dt 

; V  

    I    0

 0 0

   B t 

d  E  dt 

Ley de Faraday Ley de Ampere-Maxwell

2. PROCEDIMIENTO Y CUESTIONARIO 1er EXPERIMENTO: CAMPO MAGNÉTICO DE UN CONDUCTOR 1. Con una brújula se verificará el campo magnético de un conductor por el que Circula corriente. Monte el siguiente arreglo experimental:

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Tenga cuidado de que todos los demás conductores por los que Circule corriente estén suficientemente alejados de la aguja magnética. También el imán debe estar alejado por los menos 50 cm. de la brújula. Anote la posición de la aguja magnética, la cual se ve determinada básicamente por el campo magnético terrestre. En la animación, pulse el botón STEP2 y complete la última conexión como se Indica. De este modo, por el conductor circulará una corriente de aprox. 1 A. 

¿Cómo se comporta la aguja imantada cunado se cierra el circuito eléctrico? La aguja se mueve hacia la dirección aproximada de las líneas de campo concéntricas al conductor.



¿Qué sucede cuando la aguja de la brújula no se coloca debajo sino por encima del cable por el que circula la corriente? La aguja se desplaza claramente hacia la otra dirección.

2do EXPERIMENTO: CAMPO MAGNÉTICO DE UN CONDUCTOR 2. Se averiguará si es mayor el campo magnético de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente. Además, se analizará si la Polaridad de la corriente ejerce alguna influencia. Modifique el arreglo anterior como se muestra a continuación:

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Tenga cuidado de que todos los demás conductores se encuentren suficientemente alejados de la aguja magnética. También los imanes deben estar alejados de la brújula a una distancia mínima de 50cm. 



Juzgue la intensidad del campo magnético en el interior de un bucle conductor, Comparada con la intensidad del campo en un conductor, si por ambos circula La corriente: En el caso del bucle conductor la deflexión de la aguja es: Más fuerte. El campo magnético del conductor sin bucle es: Más débil. Permute los terminales del bucle conductor en la alimentación de corriente. Así Se modifica la polaridad de la corriente. ¿Qué efecto ejerce este cambio sobre El campo magnético? El campo magnético al interior del bucle conductor cambia de polaridad.

3er EXPERIMENTO: VERIFICACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO DE UNA BOBINA. Con una brújula se analizará una bobina mientras por ella circula una corriente al igual que cuando no se aplica ninguna corriente. En este caso, se determinarán ciertas  propiedades magnéticas y la forma de las líneas de campo. Monte el siguiente arreglo experimental:

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 

Retire la brújula de su soporte y acérquela lentamente a la bobina. Observe la orientación de la aguja de la brújula.

Complemente el arreglo experimental. La animación STEP2 muestra la manera de hacerlo. 





Mueva de nuevo la brújula alrededor de la bobina por la que ahora circula Corriente. Observe la dirección de la corriente.

¿Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la Coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina sin corriente? La aguja magnética mantiene la dirección de norte a sur.



¿Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina por la que circula corriente? La aguja cambia de orientación cada vez que se la coloca en una nueva posición sobre la bobina.



Observe el comportamiento de la aguja de la brújula en diferentes posiciones con respecto a la bobina por la que circula corriente. Por favor, ordene las siguientes afirmaciones: La aguja de la brújula se orienta en sentido paralelo a las líneas de campo. Las líneas de campo describen un arco del polo norte al polo sur de la bobina.

4to EXPERIMENTO: EFECTO DEL NÚCLEO DE HIERRO.

Universidad Nacional Mayor de San Marcos - UNMSM Con una brújula se analizará una bobina con núcleo de hierro, por la que circula corriente. Se compararán las propiedades magnéticas de la bobina con y sin núcleo de hierro. Monte el siguiente arreglo experimental:



¿Qué puede afirmar acerca del comportamiento de la brújula frente a una bobina con núcleo de hierro si se realiza una comparación con lo que sucede cuando el núcleo se encuentra ausente? La aguja se desvía más fuertemente, pues el campo magnético se refuerza con el núcleo de hierro y las líneas de campos salen por los polos.

5to EXPERIMENTO: EFECTO DINÁMICO MAGNÉTICO Se verificará si una fuerza actúa sobre un imán que se introduce en una bobina. Monte el siguiente arreglo experimental:

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

Introduzca y saque repetidamente el imán del devanado de la bobina con corriente. ¿Qué se siente? Dependiendo de la polaridad del imán permanente, éste es empujado al interior de la  bobina o expelido del mismo. Se siente la presencia de fuerzas.

6to EXPERIMENTO: EXPERIMENTO DE REMANENCIA Se someterá un núcleo de hierro a la influencia de un campo magnético y, a continuación, se verificará su campo magnético residual. Luego se repetirá el experimento con la polaridad invertida. Monte el siguiente arreglo experimental:



Con un marcador, o con material adhesivo rojo, marque un lado del núcleo de hierro. Inserte y retire repetidamente el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. El punto rojo se dirige hacia abajo. Saque el núcleo de hierro y analícelo con la aguja imantada.

¿Conserva el núcleo de hierro propiedades magnéticas después de que el campo ha actuado sobre él? El núcleo de hierro desvía ostensiblemente la aguja imantada; por tanto, posee un campo magnético.



¿Cuál polo queda en el extremo marcado con el punto rojo? El polo sur, puesto que el extremo azul de la aguja de la brújula se ve atraído.

Universidad Nacional Mayor de San Marcos - UNMSM Repita el experimento e introduzca y retire varias veces el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. Esta vez, el punto rojo se debe dirigir hacia arriba. Retire el núcleo y vuela a analizarlo con la aguja magnética.



¿Cuál polo queda ahora en el extremo marcado con el punto rojo? El polo norte, puesto que el extremo plateado de la aguja de la brújula se ve atraído.

7mo EXPERIMENTO: EXPERIMENTO 1 DE INDUCCIÓN En una bobina sin núcleo se generará una tensión con el movimiento de un imán  permanente. Dicha tensión se medirá con un voltímetro. Monte el siguiente arreglo experimental:

Abra el instrumento virtual voltímetro A del menú de instrumentos de medición o pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes ajustes: 

Rango: 0,5 V, DC Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)

Ha conectado la bobina a un voltímetro. Introduzca y retire varias veces el imán permanente del devanado de la bobina. ¿Qué se puede observar en el voltímetro? El voltímetro indica tanto tensión positiva, como negativa, según el sentido del movimiento. Cuanto más rápido sea el movimiento, mayor será la amplitud de la tensión.

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8vo EXPERIMENTO: EXPERIMENTO 2 DE INDUCCIÓN Se variará el campo magnético sin realizar ningún movimiento, encendiendo y  pagando la corriente en una "bobina de campo". Se observará la tensión inducida en una segunda bobina y se medirá esta tensión con un voltímetro. Monte el siguiente arreglo experimental.

Abra el instrumento virtual voltímetro A en el menú de instrumentos de medición o  pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes ajustes: 

Rango: 0,5 V, DC Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)

Dos bobinas se encuentran arrolladas alrededor del núcleo de hierro. La bobina 1 está conectada al voltímetro. En la bobina 2 se conecta y desconecta una corriente. ¿Qué se puede observar en el voltímetro? El voltímetro indica tanto tensión negativa como positiva, dependiendo del estado de conexión. La deflexión del voltímetro es sólo muy breve, a continuación la tensión vuelve a caer a cero.

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3. CONCLUSIONES 

La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados, pues la corriente eléctrica manifiesta un efecto magnético, es más los campos eléctricos pueden ser originados por campos magnéticos variables.



Se verificó que hay fuerzas que actúan sobre un imán que se introduce en una bobina.



La regla de la mano derecha nos permite determinar la dirección de la fuerza magnética ejercida sobre una carga moviéndose en un campo eléctrico



En la experiencia de Inducción, se generó energía eléctrica en un alambre debido a un campo magnético variable. La Ley de Faraday dice que : “La fuerza electromotriz inducida en un circuito cerrado es igual a la rapidez del fluido de inducción magnética en el área que encierra el circuito con signo negativo”.



De forma práctica una variación de flujo en el tiempo df/dt induce en un bucle conductor, que abarca la superficie a la tensión de inducción. En la experiencia, en el cual en una bobina sin núcleo se genera una tensión con el movimiento de un imán permanente, se observó que cuanto más rápido sea el movimiento. Mayor será la amplitud de la tensión.



Podemos concluir que siempre que exista un movimiento relativo entre el imán y un circuito cerrado se generará una corriente en el circuito. Estos resultados son muy importantes dado a que se puede crear corriente en el circuito, inclusive sin que siquiera exista una batería en el circuito. Esto se denomina corriente inducida.

4. BIBLIOGRAFÍA Guía de laboratorio de física III –  UNMSM Facultad de Ciencias Físicas –  7ma Edición L@Bsoft para la interface UniTr@in-Interface ( Programa del laboratorio) Electricidad y Magnetismo - Raymond A. Serway –  Tercera Edición Física II –   Tipler/Mosca –  5ta Edición http://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_1.htm http://genesis.uag.mx/edmedia/material/fisicaII/electromagnetismo.cfm http://www.unizar.es/lfnae/luzon/CDR3/electromagnetismo.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Remanencia_magnética