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GENERADOR ELECTRICO APLICANDO LEY DE FARADAY.

Carlos Contreras Campo, Javier Rodríguez Castiblanco, electricidad y magnetismo. universidad católica de Colombia , Bogota D.C., facultad de ingeniería, mayo de 2018.

Resumen: El siguiente documento explica el proyecto a realizar de la asignatura electricidad y magnetismo, el cual consiste en realizar un experimento tipo laboratorio con el fin de utilizar los conocimientos aprendidos en clases, en este artículo vamos a explicar muy detalladamente como construir un modelo de generador eléctrico utilizando la ley de Faraday (inducción electromagnética) utilizando elementos no muy costosos los cuales fueron: alambre de cobre esmaltado, madera, bombillos leds, imanes, cartón, tornillos, y silicona. El proyecto ya realizado tiene la función de generar una pequeña carga de energia eléctrica obteniéndola de la transformación de la energia mecánica. Asi lograr encender un pequeño bombillo led.

de uso cotidiano, esto con el fin de reducir costos y aplicando los conceptos de electricidad y magnetismo que se adquirieron durante el proceso educativo en el curso, para así poder comprender el funcionamiento de este artefacto. Pregunta Problema: ¿Es posible elaborar un generador eléctrico empleando la ley de Faraday? Objetivos: 

General: Elaborar un generador eléctrico aplicando la ley de Faraday.



Específicos: 1.

Comprender por medio del proyecto la aplicación de la ley de Faraday.

Introducción:

2.

El presente proyecto tiene como propósito elaborar un generador eléctrico, el cual se desarrollara por medio de la ley de Faraday. Su construcción se empleará materiales

Diseñar un prototipo de un generador eléctrico aplicando la ley de Faraday.

3.

Determinar valores reales del generador eléctrico, por medio de una práctica de laboratorio.

4. Comprobar el funcionamiento del generador eléctrico.

Descripción montaje:

y

esquema

del

1. Con la ayuda de un conductor esmaltado No 28 se fabrica la bobina, debe estar muy bien apretada y contener 528 vueltas.

Relación con la asignatura: En este proyecto es muy importante tener claro y entender la electricidad y el magnetismo, puesto que los dos temas se relacionan en conjunto cuando se aplica la ley de Faraday o inducción electromagnética, que trata sobre inducir voltaje a un circuito cerrado resulta directamente proporcional a la velocidad con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie con el circuito haciendo de borde. [1]

2. Se utilizarán los imanes de neodimio de unos discos duros viejos, y al mismo tiempo aprovechar el rotor para pegar los imanes.

Descripción de los materiales y costos: a) 10mts de alambre de cobre esmaltado No 28 = $10.000 b) 2 CD = $1.000 (c/u) c) Discos duros de computador = $5.000 (no tuvo costo en este proyecto) d) 2 pedazos de madera MDF 30cm x 50cm = 2.000$ (c/u) e) 2 LEDS = $200 (c/u) f) Piñón con rodamiento = $3.000 (No tuvo costo en este proyecto) g) 4 Imanes de cerámica circulares = $3000 (c/u) h) ½ pliego de cartón industrial = $1.000 i) 1 Tornillo = $500 j) 1 Cordón para polea = $100 k) Pistola de silicona = $3.000 l) 6 Barras de silicona delgada = $400 (c/u) m) 2 láminas de icopor = $1.500 (c/u) n) Mini soldador = $40.000 (No tuvo costo en este proyecto) o) 2 Pinturas = $500 (c/u)

3. Con pedazos de madera de 30cm x 50cm, se construye la base para el generador y el brazo que dará la rotación.

4. Se utiliza un piñón viejo para usar su rodamiento y así asegurar el movimiento del brazo que dará la rotación de los imanes.

4

8. Se fabrica un brazo de rotación con MDF de 3mm y un tornillo con su tuerca.

5. Es necesario dejar espacio suficiente para asegurar el rodamiento y evitar que se mueva, de esta manera se obtendrá mayor eficiencia en el brazo.

9. Con cartón industrial se construye una polea la cual estará girando en el rodamiento con el brazo de MDF encima.

6. En el otro lado de la base, se asegura el rotor de disco duro y se le pega los imanes circulares con la polaridad intercalada de norte – sur, de una manera equidistante.

10. Se suelda el bombillo LED a las salidas de la bobina, pelando con anterioridad las puntas para obtener continuidad. Se pega también los imanes de neodimio encima de los imanes redondo, de manera que sus polares sean de norte – sur.

7. Se coloca madera hasta alcanzar la misma altura en los dos lados y evitar que este se desnivelada la base principal y por estética se coloca icopor en los bordes de la base. 11. Se coloca un CD al rodamiento con imanes para evitar que se salga la correa y se instala la correa de giro.

5

Se va a producir un voltaje, este voltaje va a producir una corriente eléctrica y ese voltaje va a ser producido por un campo eléctrico. Expresado en la ecuación ε = - dΦ/ dt. Donde dΦ/dt es el cambio del flujo en el tiempo como cambia a través del tiempo

12. Se decora y finaliza el generador eléctrico del proyecto.

Y ε es el voltaje que se va a producir. 

Marco teórico: Ley de Faraday: Para comprender la ley de Faraday es importante tener claro conceptos como lo son: [2] 



Campo magnético: es aquella región influenciada por la presencia de una fuente de campo magnético esto puede ser un imán o un cable que transporta corriente.

Generador eléctrico: Un generador eléctrico es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica. Mantiene por tanto una diferencia de potencial entre dos puntos denominados polos. Por la ley de Faraday, al hacer girar una espira dentro de un campo magnético, se produce una variación del flujo de dicho campo a través de la espira y por tanto se genera una corriente eléctrica. [3]

Ley de Ohm: Dice que la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo, es decir:

Flujo magnético: es la cantidad de campo magnético que atraviesa un área Se representa por la letra Φ (fi) y en fórmula es Φ m= B*A donde B = LETRA Q representa el campo magnético que atraviesa el área (A)

𝐼=

𝑉 𝑅

I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial en voltios (V)

Teniendo en cuenta esto la ley de Faraday dice que si cambiamos la cantidad de campo que atraviesa un área o si esa área aumenta o disminuye en los contornos.

R = Resistencia en ohmios (Ω) [4]

6

𝑃 = 𝐼𝑉

Ley de Ampere: El campo magnético en el espacio alrededor de una corriente eléctrica, es proporcional a la corriente eléctrica que constituye su fuente, de la misma forma que el campo eléctrico en el espacio alrededor de una carga, es proporcional a esa carga que constituye su fuente. 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. [5]

Se lee: Potencia es igual a la energía dividida por el tiempo Si la unidad de potencia (P) es el watt (W), en honor de Santiago Watt, la energía (E) se expresa en julios (J) y el tiempo (t) lo expresamos en segundos, tenemos que: 1 𝑤𝑎𝑡𝑡 =

Entonces, podemos decir que la potencia se mide en julio (joule) dividido por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.

Se puede calcular el campo magnético de un solenoide con una buena aproximación utilizando la siguiente ecuación [6] 𝐵=

1 𝑗𝑢𝑙𝑖𝑜 1 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜

Además, diremos que la unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “ watt ”, y se representa con la letra “W”.

𝜇𝑁𝐼 𝐿

Como un J/seg equivale a 1 watt ( W ), por tanto, cuando se consume 1 julio (joule) de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

B = Campo magnético. 𝝁 = Permeabilidad del espacio libre. 𝜇 = 4𝜋(10−7 )

Imagen prototipo eléctrico:

N = Densidad de vueltas (No. de espiras).

generador

(Google imágenes)

I = Corriente eléctrica. L = Longitud del lado paralelo al campo magnético. Potencia eléctrica: Potencia es la velocidad a la que se consume la energía.

Variables y tabla:

También se puede definir Potencia como la energía desarrollada o consumida en una unidad de tiempo, expresada en la fórmula:

Por medio de la práctica de laboratorio es necesario utilizar un multímetro que permitirá hallar los valores reales del

7

generador de electricidad, que serán necesarios para completar las ecuaciones correspondientes y determinar el valor con sus unidades.

2T 34.2

10 T/ 4

 Variables conocidos:  N = 528 espiras

0

2.2

64. 32

1.7 4

0

0

0

0.07 1,3 −5 × 10 0

0

 𝛍 = 4𝜋 ∗ 10−7 (Tm/A = H/m) Reporte de Resistencia:

 L = 0.13 (Metro)  T = 1 (segundo)

𝑅=

 Variables a medir:  I (Amperios)  R (Ohmios)  V (Voltios)  B (Tesla)  Φ (Wéber)  P (Watts) En la siguiente tabla se representaran los valores que se tomarán en cada cierto tiempo de periodo tras dar una vuelta, hallando qué intensidad, voltaje, resistencia del bombillo, campo magnético que se propaga, flujo magnético y potencia eléctrica. I (mA ) ± 0.1

V (v) ±0. 1

R (Ω) ±0, 01

B(T ) ±0, 01

∅(W b)± 0,0 1

P (W) ±0,0 1

T/ 2

432. 0

5.7

13, 19

22. 03

1,64 2.46 × 10−4

T

202. 0

4.5

22. 27

10. 3

7,70 1.94 × 10−5

3T 97.0 /2

3.4

35. 05

4.9 4

datos

y

cálculos

𝑉 𝐼

𝑅1=

5,7 ≈ 13,19Ω 432 × 10−3

𝑅2=

4,5 ≈ 22,27Ω 202 × 10−3

𝑅3=

3,4 ≈ 35,05Ω 97 × 10−3

𝑅4=

2,2 ≈ 64,32Ω 34,2 × 10−3

𝑅5=

0 ≈ 0Ω 0 × 10−3



Campo magnético: 𝐵=

(𝜇)(𝐼)(𝑁) 𝐿

(12,56 × 10−7 )(432 × 10−3 )(528) 𝐵1= 1,3 × 10−2 ≈ 22,03 × 10−3 𝑇 (12,56 × 10−7 )(202 × 10−3 )(528) 𝐵2= 1,3 × 10−2 ≈ 10,3 × 10−3 𝑇 (12,56 × 10−7 )(97 × 10−3 )(528) 𝐵3= 1,3 × 10−2

3,69 0.33 × 10−5

≈ 4,94 × 10−3 𝑇

8

𝐵4=

(12,56 × 10−7 )(34,2 × 10−3 )(528) 1,3 × 10−2

𝑃3 = (97 × 10−3 )(3.4) ≈ 0.33 𝑊 𝑃4 = (34.2 × 10−3 )(2.2) ≈ 0.07 𝑊

−3

≈ 1,74 × 10 𝑇

𝑃5 = (0 × 10−3 )(0) ≈ 0 𝑊

(12,56 × 10−7 )(0 × 10−3 )(528) 𝐵5= 1,3 × 10−2

Conclusiones:

≈ 0𝑇 



Se puede concluir que este Campo Magnético es un campo de fuera creado como consecuencia del movimiento de cargas electicas (Flujo Magnético).



El efecto de la corriente eléctrica o un imán, sobre una región en el espacio en la carga eléctrica se desplaza a una cierta velocidad, proporcional a la velocidad y al campo.



Un campo magnético se denomina con la letra B y en Sistema Internacional de Unidades se mide en tesla (T). Un tesla es el valor de un campo magnético que provoca una fuerza sobre una carga de un Newton sobre una carga de un Coulomb que se mueve perpendicularmente, a una velocidad de 1 m/s.



El flujo es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del Campo Magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre campos y demás elementos de dicha superficie.



El Flujo magnético es una medida del campo magnético total a través de un área dada. Es una herramienta útil para describir los efectos de la fuerza en algún objeto que ocupa un área.

Flujo magnético:

∅ = 𝐵 𝐴 Donde 𝐴 = 𝜋𝑟 2 𝑃 = 2𝜋𝑟 15 × 10

−2

= 2𝜋𝑟

15 × 10−2 𝑟= ≈ 2,38 × 10−3 𝑚 2𝜋

∅1 = (22,03 × 10−3 )(𝜋(2,38 × 10−3 )) ≈ 1,64 × 10−4 Wb ∅2 = (10,3 × 10−3 )(𝜋(2,38 × 10−3 )) ≈ 7,70 × 10−5 Wb ∅3 = (4,94 × 10−3 )(𝜋(2,38 × 10−3 )) ≈ 3,69 × 10−5 Wb ∅4 = (1,74 × 10−3 )(𝜋(2,38 × 10−3 )) ≈ 1,3 × 10−5 Wb ∅5 = (0 × 10−3 )(𝜋(2,38 × 10−3 )) ≈ 0 Wb 

Potencia eléctrica:

𝑃 = 𝐼𝑉 𝑃1 = (432 × 10−3 )(5.7) ≈ 2.46 𝑊 𝑃2 = (202 × 10−3 )(4.5) ≈ 1.94 𝑊

9



El Weber (Wb), equivale al Flujo Magnético que al atravesar un circuito de una sola espira provoca en misma Fuera Electromotriz de un voltio, si es que anula el mencionado flujo en un segundo como consecuencia del decrecimiento uniforme.

Bibliografía: 

Cómo construir un generador eléctrico. (https://www.youtube.com/watch? v=5Kr7Glb1Lfg)



Ley de Faraday (http://espaciociencia.com/ley-defaraday-induccion-electromagnetica/) [1]



Ley de Faraday y sus componentes (https://es.answers.yahoo.com/questi on/index?qid=20110128185116AAZ a5QN) [2]



Generador eléctrico (http://acer.forestales.upm.es/basicas/ udfisica/asignaturas/fisica/magnet/ge nerador) [3]



Ley de Ohm (http://recursostic.educacion.es/secun daria/edad/3esofisicaquimica/3quince na11/3q11_contenidos_5d.htm) [4]



Ley de Ampere (http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/magnetic/ampla w.html#c) [5]



Magnetismo (http://acer.forestales.upm.es/basicas/ udfisica/asignaturas/fisica/magnet/ca mpomag.html) [6]

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