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• Mr Henao

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Análisis de un experimento 5: Campo magnético de un solenoide 1 OBJETIVOS 1.1 GENERAL Determinar la relación entre el campo magnético en el centro de un solenoide muy largo y la intensidad de corriente que circula a través de él.

1.2 ESPECÍFICOS 1.

Comparar los valores experimentales y teóricos del campo magnético.

2.

Explicar las características de la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide.

2 ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA INDIVIDUAL

Núcleo

En esta sección usted trabajará de forma práctica individualmente. En esta ocasión deberá construir un electroimán siguiendo las indicaciones que se dan en esta sección. Para presentar los resultados de su práctica individual realizarán en su grupo un solo informe (diferente al informe de esta práctica) escrito soportado con fotos y videos donde se muestren su trabajo. El informe deberá subirlo a su carpeta personal de Google Drive.

El informe grupal de su trabajo individual deberá contener los siguiente con respecto al electroimán: 1. 2. 3.

Historia del electroimán ¿Cómo funciona? ¿En qué se usa? Ver el siguiente enlace, por ejemplo

https://www.eafit.edu.co/innovacion/transferencia/Paginas/electroiman.aspx 4.

¿Qué ventajas tiene respecto a un imán natural?

Un electroimán es un tipo de imán(artificial) en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Los electroimanes generalmente consisten en un gran número de espiras de alambre, muy próximas entre sí que crean el campo magnético. Las espiras de alambre a menudo se enrollan alrededor de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferrimagnético, como el hierro; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y hace un imán más potente.

2.1 CONSTRUCCIÓN DE UN ELECTROIMÁN Aunque realizar experimentos científicos en nuestro hogar nunca es recomendable por los peligros que entraña, la fabricación de un electroimán casero no entraña ninguna dificultad, peligro o misterio, sino que, por el contrario, se trata de uno de los experimentos más sencillos que podemos hacer. Para hacer un electroimán casero necesitarás únicamente:

1.

2.

3. 4.

Una barra de algún material que pueda servir de núcleo para el electroimán, use hierro dulce, se puede utilizar un clavo, algo que hay en todas las casas, un lápiz, un bolígrafo plástico, una barra de algún metal diferente al hierro y de diferentes diámetros. Puede doblar el clavo en forma de herradura también. Cables de diferentes materiales, por ejemplo, un cable de cobre (esmaltado) de diferentes calibres, y alambre dulce. Si el cable está “desnudo” mejor, es decir, es mejor quitarle el plástico que suelen llevar alrededor (siempre y cuando lo conectes a una pila porque si lo conectas a otra fuente de energía se puede calentar, y sobre todo no lo conectes a un enchufe porque te puedes electrocutar). Para conseguirlo, puedes pelar un trozo de cable eléctrico o de teléfono que tengas por algún sitio. Si no lo encuentras, puedes utilizar un trozo de alambre (si tienes un cuaderno viejo, quítale la espiral). Y si tampoco encuentras esto, utiliza un cable normal que no sea demasiado “gordo” para que puedas enrollarlo con facilidad. Una pila. Si tienes una pila de 9V, mejor, sino la de mayor diferencia de potencial que pueda conseguir o tengas (o también puedes poner varias en serie si sabes cómo hacerlo). Clips o limaduras de hierro o pedacitos muy pequeños de hierro o tornillos pequeños. Para probar el electroimán. Ahora, con cuidado: 1. Si el cable no tiene plástico alrededor, perfecto. Si tiene, lo primero que debes hacer es pelar los extremos para luego poder conectarlos a los extremos de la pila.

2. Enrolla (sin montar unas sobre otras) el cable alrededor del material que uses como núcleo. Cuantas más vueltas des, más potencia tendrá el electroimán casero que estás fabricando. En este punto es necesario asegurarse de no poner cable encima de cable, es decir, enrollarlo solo sobre el clavo o lo que uses como núcleo. 3. Coloca un extremo del cable en uno de los polos de la pila y pégalo con cinta aislante. Cuanto mayor diferencia de potencial tenga la pila, mayor será la fuerza de atracción del artilugio. El otro no lo conectes y así funcionará cuando quieras. 4. Y ya está.

5. Deberás repetir el proceso haciendo combinaciones de diferentes parámetros a)

Con un mismo calibre de cable y manteniendo el número de vueltas, use diferentes núcleos y describa cualitativamente el fenómeno. b) Cambie el calibre del cable y use diferentes núcleos y describa cualitativamente el fenómeno. c) Haga el electroimán con diferente número de vueltas para un mismo núcleo y describa cualitativamente el fenómeno d) Haga el electroimán con las vueltas separadas para un mismo núcleo y describa cualitativamente el fenómeno Puede usar las siguientes imágenes como guía de combinación de factores que afectan el campo

Ahora para probarlo, con una mano sujetas el núcleo y lo acercas a cualquier objeto que pueda ser magnetizado. Cuando quieras activar el electroimán casero, solo debes tocar, con el extremo libre del cable al polo de la pila que ha quedado también libre. Acércalo a materiales metálicos que tengas, por ejemplo, al clip, o un pedazo de cobre o el tornillo, y observar si éstos serán atraídos por el electroimán. Cuando quieras que deje de funcionar, simplemente deja de tocar la pila con el cable.

3 ACTIVIDADES A REALIZAR En esta experiencia se mide el campo magnético dentro de un solenoide (utilizando el video) y se compara con el campo magnético teórico basándose en el valor de la intensidad de corriente que circula a través del solenoide. Para realizar este análisis utilizaremos el video realizado en los laboratorios de Física de la Universidad del Norte por el personal encargado de dichos laboratorios. El video nos servirá como guía y nos permitirá realizar la toma de datos y efectuar nuestro análisis del campo magnético del solenoide. El enlace al video en YouTube es https://www.youtube.com/watch?v=8qLeNtCR-PI&ab_channel=F%C3%ADsicayGeocienciasUninorte

¿Qué vamos a hacer en esta práctica? Para el análisis de este experimento dividiremos el desarrollo en dos etapas:  

PRIMERA ETAPA : ¿Cuál es la dirección del campo magnético en el interior del solenoide? SEGUNDA ETAPA: Determinar cuál es la relación entre el campo magnético y la corriente en el interior del solenoide.

Los instrumentos utilizados en el video son los siguientes: Solenoide (especificaciones: longitud 10.8 cm y 2920 espiras) Interfaz Capstone Sensor de campo magnético

3.1 PRIMERA ETAPA: ANÁLISIS DEL CAMPO MAGNÉTICO EN EL INTERIOR DEL SOLENOIDE En esta primera etapa se utiliza el sensor de campo magnético para medir el campo magnético dentro del solenoide cilíndrico e identificar si el campo magnético tiene componente radial o axial. Se utiliza el software Capstone para registrar y medir la intensidad del campo magnético en el interior del Solenoide como se puede ver en el video. El campo magnético en un punto corriente

situado sobre el eje de un solenoide de longitud

está dado por (¡¡¡OJO DEBE DEMOSTRARLO!!!)

que transporta una

Si el solenoide es muy largo comparado con su radio

tendremos que

y

. El campo 

y si el punto

está situado en el centro,

es entonces (¡¡¡OJO DEBE DEMOSTRARLO!!!)

El campo magnético en un punto cualquiera sobre el eje del solenoide a una distancia centro del solenoide está dado por (¡¡¡OJO DEBE DEMOSTRARLO!!!)

del

Use los resultados anteriores y los obtenidos con el software Capstone para explicar como es el campo magnético en el interior de un solenoide. Grafique la última expresión del campo, es decir, si hacemos , grafique

vs.

. Deberá obtener una gráfica similar a la siguiente

3.2 SEGUNDA ETAPA, ANÁLISIS DEL CAMPO MAGNÉTICO EN EL INTERIOR DE UN SOLENOIDE EN FUNCIÓN DE LA CORRIENTE. En esta segunda etapa utilizaremos las mediciones de campo magnético y corriente eléctrica mostrados en el video y en el archivo Campo magnético solenoide.cap que deben abrir en el software Capstone.

4 PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS DATOS OBTENIDOS A PARTIR DE LAS GRÁFICAS

5 ANÁLISIS DEL EXPERIMENTO De acuerdo con los datos y gráficos obtenidos a partir del análisis del video conteste las siguientes preguntas: Pregunta 1: Al comparar las lecturas axial y radial del campo, ¿qué dirección tiene el campo magnético en el interior del solenoide? Explique

Pregunta 2: A partir de la gráfica de vs. ¿cómo es el comportamiento de la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación con la posición?

Pregunta 3: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y la intensidad de la corriente que circula por él? Explique a partir de las gráficas, no de las ecuaciones.

Pregunta 4: Calcule el valor teórico del campo magnético dentro de la bobina utilizando la corriente obtenida a partir de la gráfica solenoide (

vs.

, su longitud teórica (

10.8 cm) y el número de espiras del

vueltas). Determine, a partir de la misma gráfica, la pendiente de la recta.

Pregunta 5: Compare el valor de la pendiente experimental obtenido en la pregunta anterior con el valor teórico obtenido a partir de la ecuación del campo magnético de un solenoide en su centro. Calcule el error relativo porcentual en el valor de la pendiente. ¿A qué factores cree usted que se debe la diferencia obtenida?