LAB-1.1

2013-2

TRANSFORMADORES Y MÁQUINAS DC

Tema :

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ELECTROMAGNETISMO I.

II.

III.

CODIGO: E46324 Página 1 / 8 III B

OBJETIVO: -

Realizar pruebas a componentes, equipos y sistemas eléctricos.

-

Realizar pruebas comportamiento.

-

Demostrar la ley de Faraday

-

Demostrar la ley de Lenz.

-

Observar el comportamiento del magnetismo en corriente continua y alterna.

a

imanes

naturales

y

permanentes

para

determinar

su

RECURSOS: -

Dos imanes naturales.

-

Limaduras de hierro.

-

Una bobina con núcleo de hierro, con yugo superior móvil.

-

Un multímetro AC y DC.

-

Una brújula.

-

Fuente de corriente continúa y alterna.

-

Cables de conexión.

FUNDAMENTO TEÓRICO: MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO La naturaleza y origen del magnetismo aún no han sido explicados completamente, se han formulado varias teorías explicando el fenómeno magnético, pero no ha habido aprobación unánime. En magnesia, antigua ciudad de Asia Menor, se encontraron los imanes naturales o Piedra imán, descubriéndose que estas atraían cuerpos pequeños de hierro, más tarde se le llamo óxido magnético de hierro (Fe304). Históricamente se dice que los fenicios fueron los primeros en aplicar la energía magnética del imán cuando usaron la brújula en sus viajes marítimos comerciales. Siendo así que se usa en la ciencia, industria, navegación aérea y marítima. El magnetismo en la electricidad y la electrónica es fundamental, ya que sin el no sería posible la fabricación de transformadores, motores, generadores, bocinas, audífonos, micrófonos y tantas cosas más que se basan en el magnetismo. IMANES: Se les llaman imanes a las substancias que tienen la propiedad de afectar al hierro, acero, níquel, cobalto, cromo y a otros metales, en menor grado. Pueden ser afectados por atracción o repulsión. Los imanes de dividen en: naturales y artificiales. El imán natural, o piedra imán tiene propiedades magnéticas sin la intervención del hombre, es muy abundante en la naturaleza sobre todo en suelos de antigua formación geológica y es explotado en algunos países como mineral de hierro. Los imanes artificiales, son barras de hierro o acero que adquirieron por medios artificiales propiedades magnéticas. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción o bien, por procedimientos eléctricos. Estos imanes son muy usados, dado que conservan su magnetismo. Sin importar la naturaleza del imán, a su alrededor existe un campo magnético, formado por líneas de fuerza imaginarias, se asume que estas líneas salen del polo norte y regresar por el polo sur del imán. Si se juntan dos imanes se observará que polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen.

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PERMEABILIDAD MAGNÉTICA Es la facilidad con que una substancia permite el paso de las líneas de fuerza a través de su masa, en cada substancia magnética la permeabilidad es diferente. La permeabilidad del hierro ofrece menos oposición que el aire al paso de las líneas de fuerza, esto permite que puedan construirse con el los audífonos, transformadores, etc. RELUCTANCIA

Figura N°1: Reluctancia Es la oposición al paso del magnetismo, la reluctancia es el equivalente de la resistencia en una corriente eléctrica. La figura N° 1 muestra algunos ejemplos de reluctancia y la tabla N° 1 muestra una comparación entre la electricidad y el magnetismo: En la electricidad:

En el magnetismo:

Fuerza electromotriz o voltaje (F.E.M.)

El campo magnético

Corriente

Corriente magnética o líneas de fuerza

Resistencia

Reluctancia

ELECTRO MAGNETISMO La corriente eléctrica produce un campo magnético alrededor del conductor, la intensidad de este depende del número de amperios de la corriente; cuanto más fuerte sea la corriente, más fuerte será el campo magnético. Aprovechando este fenómeno, podemos hacer un electroimán, si enrollamos un alambre en forma de bobina (espiral) con núcleo de aire, le aplicamos una corriente eléctrica, las líneas de fuerza no serán tan intensas, obviamente por la reluctancia del aire. Si en cambio le colocamos un núcleo de hierro, las líneas de fuerza serán más intensas y esto generará un campo magnético más intenso y se convierte en un electroimán. Si sabemos la polaridad de la corriente que se le aplica, y la dirección del embobinado, podemos determinar la polaridad de un electroimán, se coloca la mano derecha, tal y como lo haríamos si en realidad tomáramos el electroimán, el pulgar indicará el polo sur, los otros dedos indicarán la dirección de la corriente aplicada. INDUCCIÓN MAGNÉTICA LEY DE FARADAY: Esta indica que siempre que se mueve un alambre a través de las líneas de fuerza de un campo magnético, se genera en este (alambre) una corriente eléctrica, misma que es proporcional al número de líneas de fuerza cortadas en un segundo.

LEY DE AMPERE: La Ley de Ampere indica, que la línea integral de un campo magnético en una trayectoria arbitrariamente elegida es proporcional a la corriente eléctrica neta adjunta a la trayectoria.

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LEY DE LENZ: En todos los casos de inducción electromagnética, el voltaje inducido hará que la corriente circule en un circuito cerrado en una dirección tal que el campo magnético originado por esta corriente se oponga a la causa que la produce. IV. PROCEDIMIENTO Advertencia: ¡En esta etapa se manejarán voltajes peligrosos! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡La fuente debe desconectarse después de hacer cada medición!. Advertencia: Usar lentes de seguridad durante su permanencia en el Taller

Advertencia: Usar botas de seguridad durante su permanencia en el Taller

Campo magnético y líneas de fuerza: 1. Rocíe limaduras de hierro sobre una placa acrílica transparente y aproxime uno de los polos del imán natural por el lado opuesto de la placa. 2. Esquematizar y describir el fenómeno mostrado. Las limaduras de hierro reaccionan al campo magnético generado por el imán, como se puede apreciar de norte a sur.

3. Ahora aproxime por el lado opuesto de placa acrílica los dos polos del imán, esquematice y describa lo observado. Las limaduras de hierro forman las líneas de fuerza del campo magnético del imán, las cuales orientan los polos presentes.

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4. ¿Qué propiedad muestran las líneas magnéticas ya que se debe la forma de su trayectoria? Las líneas rodean al imán y están más concentradas en los extremos, esta forma se debe a que las líneas salen del polo positivo e ingresan al negativo. Determinación de la polaridad: 5. Empleando la brújula, determine la polaridad de un imán. 6. ¿Cuál es el fundamento empleado para determinar la polaridad del imán? Al acercar la brújula hacia el imán, notamos que uno de los extremos de la brújula se atrae y se repele con los extremos del imán, Sabemos por la ley de atracción y repulsión que polos opuestos se atraen, entonces el norte del imán se juntara con el sur de la brújula. 7. Armar el circuito mostrado en la figura Nº 2. 8. Aplique 25 V dc al electroimán y con esto determine la polaridad del electroimán.

Figura N° 2: Polaridad del electroimán 9. Luego invierta la polaridad de la fuente, vuelva a verificar la polaridad del electroimán, y describa lo observado. Invertimos la polaridad de la fuente, verificamos la polaridad del imán con la brújula y observamos que al igual también se invierte.

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Tensión inducida: Advertencia: ¡En esta etapa se manejarán voltajes peligrosos! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡La fuente debe desconectarse después de hacer cada medición!.

10. Con un voltímetro de doble polaridad conectado a una bobina con núcleo de aire (figura 3), sométala a la influencia del imán permanente con un movimiento en vaivén, tanto con el polo norte como el polo sur.

Figura N° 3: Demostración de la ley de Faraday 11. ¿Cómo demuestra este experimento la ley de Faraday? Nosotros al realizar el movimiento en vaivén hacemos que en la bobina exista flujo magnético variable producido por el imán, dicho flujo induce corriente en la bobina, notamos además que la polaridad que lee el voltímetro cambia si utilizamos el otro polo del imán.

Efecto de la reluctancia:

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12. Armar el circuito mostrado en la figura 4 y alimente por uno de sus extremos con 0,5 A en corriente alterna y haga mediciones del voltaje inducido en el lado secundario del transformador, con y sin el yugo superior.

Figura N° 4: Efecto de la reluctancia en el voltaje 13. ¿A qué se deben las diferencias en las lecturas acusadas por el voltímetro? Se debe a que en el caso de tener el yugo superior, éste sirve de puente para el flujo creado por la corriente del devanado primario además que está fabricado de materiales ferromagnéticos que tienen una permeabilidad mucho más alta que el aire o el espacio y por tanto, el campo magnético tiende a quedarse dentro del material. 14. Al mismo circuito aplique 5 Vdc y mida la tensión inducida en el secundario. ¿Se induce voltaje en el secundario? ¿Por qué? Sí, se induce voltaje en la bobina secundaria, esto se debe a la inducción electromagnética que va desde una bobina a otra por medio del flujo variable.

Ley de LENZ: 15. Armar el circuito mostrado en la figura 5 y alimente la bobina con 0,5 A en corriente alterna y observe el anillo de cobre.

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Figura N° 5: Demostración de la ley de Lenz 19. ¿Qué sucede con el anillo de cobre? ¿Cómo demuestra esto la ley de Lenz? El anillo de cobre flota en el aire, esto se debe a la interacción entre dos campos magnéticos que se oponen, uno de ellos es el campo producido por la bobina y el otro es producido por la corriente variable a través de conductor, cumpliendo así con la ley de Lenz.

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IV- CUESTIONARIO 1- ¿Qué es la permeabilidad magnética? La permeabilidad magnética es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos. 2- ¿En qué consiste la ley de Ampere, enuncie la ecuación de su ley y explique? La ley de Ampere establece que para cualquier trayecto de bucle cerrado, la suma de los elementos de longitud multiplicada por el campo magnético en la dirección de esos elementos de longitud, es igual a la permeabilidad multiplicada por la corriente eléctrica encerrada en ese bucle.

El campo magnético en el espacio alrededor de una corriente eléctrica, es proporcional a la corriente eléctrica que constituye su fuente 3- ¿En qué consiste la regla de Fleming del electromagnetismo? ¿Haga una gráfica? En un conductor que está dentro de un campo magnético perpendicular a él y por el cual se hace circular una corriente, se crea una fuerza cuyo sentido dependerá de cómo interactúen ambas magnitudes (corriente y campo).

4- ¿Dar la definición de los siguientes conceptos? Material diamagnético: Los materiales denominados diamagnéticos se caracterizan por ser repelidos por los imanes (es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos, que son atraídos por los imanes). Material Paramagnético. Los materiales paramagnéticos son aquellos cuya suma neta de los momentos magnéticos permanentes de sus átomos o moléculas es nula. Estos materiales tienen un comportamiento magnético muy débil. Material antimagnético: tienen un estado natural en el cual los momentos magnéticos de átomos adyacentes son opuestos, de manera que el momento magnético neto es nulo . Este estado natural hace difícil que el material se magnetice. Ferritas: Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro.

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V. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES Observaciones: 

Se observó que las limaduras de hierro siguen el patrón de las líneas de fuerza del imán.



Se observó que al pasar el imán por la bobina con núcleo de aire se generaba un voltaje y este subía al mover el imán con mayor intensidad. Los polos se encuentran en los extremos y en ellos el campo magnético es muy intenso. Entre ellos existen fuerzas de atracción y repulsión similares a las fuerzas electrostáticas entre cargas. No es posible separar los de un imán; al hacerlo obtendremos 2 nuevos imanes cada uno de ellos con sus polos norte y sur.





Conclusiones: 

Se demostró la ley de Faraday: Eind N.

se tiene N pero se necesita un flujo

variante en el tiempo, tenemos flujo si pero es un flujo continuo ¿cómo hago que sea variante en el tiempo? moviéndolo cuanto más cerca este el imán a la bobina habrá más flujo cuando lo alejo hay menos flujo se puede mover ambos la cosa es que tengamos un diferencial de flujo que las líneas del campo magnético corten la espira y con esto demuestro que tiene una tensión inducida. 

Se logró estudiar el comportamiento del magnetismo en corriente continua y alterna.



Logramos apreciar las líneas de fuerza del campo magnético de uno de los polos del imán, haciendo uso de las limaduras de hierro y de una placa acrílica



Logramos describir las líneas de fuerza del campo magnético utilizando ambos polos del imán, y además notamos que las limaduras se concentran mayormente en los extremos del imán



Demostramos la ley de Lenz haciendo levitar un aro de cobre debido a que la corriente inducida en el conductor es tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce, como generando un campo variante en el tiempo el aro va hacer como si fuese una espira, ¿qué pasa si tu acercas una espira a un campo magnético? se induce una corriente lo cual genera su propio campo en la espira ese campo magnético chiquito se crea en sentido opuesto al campo que lo ha generado lo cual implica que se tengan que repeler y hace que el aro levite.



Se concluyó que el campo magnético en DC es mucho más fuerte que en AC

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ANEXOS El transporte de levitación magnética El transporte de levitación magnética, o tipo maglev, es un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética. Este método tiene la ventaja de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte público sobre ruedas convencionales. La tecnología de levitación magnética tiene el potencial de superar 6440 km/h (4000 mph) si se realiza en un túnel al vacío.1 Cuando no se utiliza un túnel al vacío, la energía necesaria para la levitación no suele representar una gran parte de la necesaria, ya que la mayoría de la energía necesaria se emplea para superar la resistencia del aire, al igual que con cualquier otro tren de alta velocidad.

Aplicaciones de las bobinas electromagnéticas Timbre Una bobina por la que circula una corriente alterna hace moverse alternativamente a un lado y a otro gracias al campo magnético generado una paleta que golpea una campana.

Electroválvula Una bobina de tipo solenoide abre o cierra mediante atracción magnética una válvula que controla el paso de un fluido. Típicamente la válvula se mantiene cerrada por la acción de un muelle, al aplicar corriente al solenoide la abre venciendo la fuerza del muelle y dejando pasar el fluido.

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Rele / Contactór Interruptor controlado eléctricamente. Una bobina por la que circula una corriente genera un campo magnético que mueve un elemento ferromagnético que a su vez abre o cierra un interruptor eléctrico. Relés y contactores están presentes en todos los automatismos eléctricos.

Motor eléctrico / Generador Mediante campos magnéticos generados por bobinas se transforma energía eléctrica en movimiento rotatorio de un eje. Y a la inversa, el movimiento rotatorio de un eje genera energía eléctrica en las bobinas al hacer pasar un campo magnético a través de las mismas.

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Motor lineal Bajo el mismo principio de funcionamiento que un motor convencional generan un movimiento lineal mediante el campo magnético producido por bobinas colocadas linealmente.

Interruptor Diferencial Dos bobinas colocadas en serie producen un campo magnético opuesto, si la corriente que circula por las bobinas no es igual (lo cual detecta una fuga de corriente en el circuito) las fuerzas se descompensan y se abre el interruptor.

Freno eléctrico En su construcción, se emplean unas bobinas que se instalan entre dos discos solidarios con el eje de la transmisión del vehículo, Estas bobinas crean un campo magnético fijo, y es el movimiento de los rotores, lo que produce la variación de velocidad, ya que a mayor velocidad de giro, mayor es la fuerza de frenado generada por el campo electromagnético que atraviesa los discos rotores. Utilizado en camiones, autobuses, o trenes.

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Transformador eléctrico Lo forman dos bobinas que comparten circuito magnético. Al aplicar tensión eléctrica alterna a la primera bobina por ella circulará una corriente que generará un campo magnético que a su vez generará otra tensión en la segunda bobina. Variando la relación del número de vueltas de hilo de las dos bobinas se consigue que la tensión en la segunda bobina sea una fracción de la tensión de la primera.