• Author / Uploaded
• Juan Juan

• Categories
• Inductor
• Corriente eléctrica
• Magnetismo
• Electromagnetismo
• Campo magnético

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL DE HUANCAVELICA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA – SISTEMAS ESUELA PROGESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Laboratorio de Física C Tema: INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Curso: CAMPOS

ELECTROMAGNÉTICOS II

Alumno: MARTINEZ ESPINAL, Jhonatan Ciclo: VI

Pampas - Tayacaja

RESUMEN La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o por movimientos relativos a un campo constante. Distintos factores influyen en la fem que se induce en una bobina, como lo son su número de espiras, su configuración (si tienen un material ferromagnético en su interior) y de su movimiento con respecto al campo magnético. Lo que esta fem inducida trata es oponerse al cambio del flujo magnético.

INTRODUCCIÓN 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). El descubrimiento de Oersted según el cual las cargas eléctricas en movimiento interaccionan con los imanes y el descubrimiento posterior de que los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre corrientes eléctricas, no solo mostraba la reacción entre dos fenómenos físicos, sino también porque podría ser un camino para producir corrientes eléctricas de un modo más barato que con la pila de volta. Faraday fue el que obtuvo primeros resultados positivos en la producción de corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. 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. Dicha fuerza hace que los electrones se desplacen hacia un extremo (dependiendo de la dirección del campo) en donde se acumulan. Como resultado de este movimiento, se obtiene una distribución de cargas que genera un campo eléctrico dirigido a lo largo del conductor. El movimiento de los electrones continúa hasta que la fuerza magnética se equilibra con la fuerza eléctrica cuando el conductor se desliza sobre otro conductor estacionario, cuya forma es tal que constituyen una trayectoria cerrada. Es así como dentro de los conductores se establece una corriente eléctrica i, llamada corriente eléctrica inducida, cuya dirección en sentido convencional es anti horario. Como consecuencia de esta corriente, el exceso de cargas en el extremo del conductor se reduce, y el campo eléctrico se debilita y las fuerzas magnéticas producen un nuevo desplazamiento de electrones libres dentro del conductor móvil, desplazamiento de electrones que origina la circulación de la corriente eléctrica ya mencionada. Esta corriente circula mientras se mantiene en

movimiento al conductor.

Leyes de Faraday y de Lenz: Faraday descubrió que cuando un conductor es atravesado por un flujo magnético variable, se genera en el una fuerza electromotriz inducida que da lugar a una corriente eléctrica. El sistema que generaba la corriente (el imán en nuestra experiencia) se llama inductor y el circuito donde se crea la corriente, inducido (la bobina en nuestro caso). Este fenómeno de inducción electromagnética se rige por dos leyes, una de tipo cuantitativo conocida con el nombre de ley de Faraday y otra de tipo cualitativo o ley de Lenz. El sentido de la fuerza electromotriz inducida es tal que la corriente que crea tiende mediante sus acciones electromagnéticas, a oponerse a la causa que la produce. Ley de Faraday: Faraday observo que la intensidad de la corriente inducida es mayor cuanto más rápidamente cambie el número de líneas de fuerza que atraviesan el circuito. (En nuestro caso cuanto mayor es la velocidad del imán o de la bobina, mayor es la intensidad de la corriente se crea en esta última) Este hecho experimental está reflejado en la ley que se enuncia: La fuerza electromotriz e inducida en un circuito es directamente proporcional a la velocidad con que cambia el flujo que atraviesa el circuito.

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:

donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de la mano derecha.

están dadas por la regla de

La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo. James Clerk Maxwell entre 1864 y 1873 realizó la formulación matemática de todas las leyes experimentales del electromagnetismo, sintetizándolas en cuatro ecuaciones, que en el espacio libre, o sea en ausencia de material dieléctrico y magnético, se escriben:

∮

𝐸⃗ . ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑑𝐴 =

𝑞 (𝐿𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 ) 𝜀0

⃗⃗⃗⃗⃗ ∮ 𝐵. 𝑑𝐴 = 0 (𝐿𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑚𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠𝑚𝑜)

⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ∮ 𝐸 . 𝑑𝐴 =

⃗ ⃗⃗⃗ ∮ 𝐵. 𝑑𝑙 = 𝜇0 𝑙 + 𝜇0 𝜀0

𝑑Φm (𝐿𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦) 𝑑𝑡

𝑑ΦE (𝐿𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒 − 𝑀𝑎𝑥𝑤𝑒𝑙𝑙 ) 𝑑𝑡

INDUCCIÓN ELECTROMAGNETICA ¿Qué es campo magnético? Se puede definir el campo magnético como la región del espacio donde se manifiestan acciones sobre las agujas magnéticas. Una carga en movimiento crea en el espacio que lo rodea, un campo magnético que actuara sobre otra carga también móvil, y ejercerá sobre esta última una fuerza magnética. Campo de fuerzas magnéticas: Las limaduras y alfileres de hierro, dejados sobre una mesa, se mueven cuando se les acerca un imán. Si dicho imán se acerca a una brújula, la aguja se desvía estas y otras más demuestran que el espacio alrededor del imán adquiere propiedades especiales, ya que el imán es capaz de ejercer fuerzas en su entorno, es decir, el imán crea un campo de fuerzas. Según esto, en el campo gravitatorio la fuerza se manifiesta sobre una masa, y en el campo eléctrico sobre una carga eléctrica. En el campo magnético no se dice sobre un polo magnético, sino sobre una aguja magnética o limaduras que siempre poseen dos polos. Esto es debido a que si se parte una aguja magnética o cualquier otro imán por su línea neutra, se comprueba que cada una de las partes se comporta como un nuevo imán. Si se siguen subdividiendo los nuevos imanes, todos los fragmentados obtenidos actúan como un imán, con sus polos norte y sur bien diferenciados. Es decir en un imán no es posible separar dos polos magnéticos. Se puede definir el campo magnético como la región del espacio donde se manifiestan acciones sobre las agujas magnéticas.

LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Cuando movemos un imán permanente por el interior de las espiras de una bobina solenoide (A), formada por espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una fuerza electromotriz (FEM), es decir, aparece una corriente eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida por la “inducción magnética” del imán en movimiento. Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente al circular por esta otra bobina crea a su alrededor un “campo electromagnético”, capaz de inducir, a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina. Por ejemplo, si colocamos una tercera bobina solenoide (C) junto a la bobina (B), sin que exista entre ambas ningún tipo de conexión ni física, ni eléctrica y conectemos al circuito de esta última un galvanómetro (G), observaremos que cuando movemos el imán por el interior de (A), la aguja del galvanómetro se moverá indicando que por las espiras de (C), fluye corriente eléctrica provocada, en este caso, por la “inducción electromagnética” que produce la bobina (B). Es decir, que el “campo magnético” del imán en movimiento produce “inducción magnética” en el enrollado de la bobina (B), mientras que el “campo electromagnético” que crea la corriente eléctrica que fluye por el enrollado de esa segunda bobina produce “inducción electromagnética” en una tercera bobina que se coloque a su lado.

El campo magnético del imán en movimiento dentro de la bobina solenoide (A), provoca que, por.“inducción magnética”, se genere una corriente eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) en esa bobina. Si.instalamos al circuito de (A) una segunda bobina (B), la corriente eléctrica que comenzará a circular por.sus espiras, creará un “campo electromagnético” a su alrededor, capaz de inducir, a su vez, pero ahora.por “inducción electromagnética”, una corriente eléctrica o fuerza electromotriz en otra bobina (C). La.existencia de la corriente eléctrica que circulará por esa tercera bobina se podrá comprobar con la ayuda.de un galvanómetro (G) conectado al circuito de esa última bobina. Conectemos ahora una pila al circuito de una bobina solenoide (S1) y un galvanómetro al circuito de una segunda bobina solenoide (S2). El circuito que forman la pila y la bobina solenoide S1 se encuentra cerrado por medio de un interruptor, por

lo que la corriente que suministra la pila, al fluir por las espiras del alambre de cobre de la bobina, crea un campo magnético constante fijo a su alrededor, que no induce corriente alguna en la bobina S2, tal como se puede observar en la aguja del galvanómetro, que se mantiene en “0”. Pero si ahora moviéramos la bobina S1 hacia arriba y hacia abajo, manteniendo fija en su sitio a la bobinaS2, el campo electromagnético de la bobina S1, ahora en movimiento, inducirá una corriente eléctrica en la bobina S2, cuyo flujo o existencia registrará la aguja del galvanómetro.

También, si en lugar de mover la bobina S1 abrimos y cerramos ininterrumpidamente el interruptor del circuito de la pila, la fuerza contra electromotriz que se crea cada vez que se abre el circuito interrumpiendo la formación del campo electromagnético, inducirá también una corriente eléctrica en la bobina S2, que registrará el movimiento de la aguja del galvanómetro.

Sin embargo, como se comprenderá para provocar la inducción magnética o la electromagnética no resulta nada práctico mantener un imán en movimiento por dentro de una bobina de forma manual, ni mover una bobina de igual forma, ni tampoco abrir y cerrar manualmente un interruptor para hacer que se induzca corriente eléctrica en otra bobina. En la práctica, la solución tecnológica más utilizada es conectar una de las bobinas a una fuente de corriente alterna, para que el cambio constante de polaridad, propio de este tipo de corriente, provoque la formación de un campo electromagnético variable capaz de inducir por sí mismo corriente eléctrica, igualmente alterna, en otra bobina colocada a su lado.

La corriente eléctrica alterna circulando por una bobina (S1) crea a su alrededor un campo electromagnético variable, capaz de inducir por sí mismo corriente alterna en otra bobina (S2) colocada a su lado. Normalmente la bobina S1 se denomina “enrollado primario”, mientras que la bobina

S2 recibe el nombre de “enrollado secundario” y ambas constituyen la base del funcionamiento de los transformadores eléctricos. En ocasiones se pueden encontrar ambos enrollados colocados uno encima de otro formando una bobina de un solo cuerpo. Por otra parte, si en lugar tener la bobina el interior hueco (núcleo de aire) se enrolla sobre un núcleo de hierro, las líneas de fuerza electromagnéticas se intensifican, convirtiéndose en u electroimán, capaz de atraer cuerpos metálicos. Flujo Magnético: Las corrientes eléctricas producen efectos magnéticos. Una corriente eléctrica produce un campo magnético Una pregunta que surge en forma natural es si es posible que algún fenómeno magnético produzca también un fenómeno eléctrico. Faraday (1831) descubrió que los efectos buscados aparecen como consecuencia de la variación temporal de los campos magnéticos. Antes de discutir los resultados de Faraday, definamos el concepto de flujo magnético.

  

Es el flujo magnético que atraviesa una superficie S. El flujo magnético tiene varias propiedades interesantes, El flujo a través de una superficie cerrada cualquiera es siempre cero. Debido a lo anterior, el flujo a través de una superficie S abierta no depende de su forma, sino sólo de la curva que lo limita. El hecho anterior puede hacerse explícito.

Experimento de Faraday

Experimento de Faraday que muestra la inducción entre dos espiras de cable: La batería (derecha) aporta la corriente eléctrica que fluye a través de una pequeña espira(A), creando un campo magnético. Cuando las espiras son estacionarias, no aparece ninguna corriente inducida. Pero cuando la pequeña espira se mueve dentro o fuera de la espira grande (B), el flujo magnético a través de la espira mayor cambia, induciéndose una corriente que es detectada por el galvanómetro (G).1

UN EXPERIMENTO DE INDUCCION ELECTROMAGNETICA

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Materiales a Utilizarse             

Bobinas de 300, 500, 900, 1000 y 1200 espiras Yugo laminado Núcleo en U laminado Galvanómetro Imán recto Aro de aluminio Estativo Placa para soporte Tuerca universal Fuente de voltaje regulable 0,0 V - 15,0 V Interruptor, un polo, un borne Conductores Reóstato 33 ohmios

a) Tensión inducida en función del número de espiras Para esta actividad, se debe armar el circuito mostrado a continuación, formado por bobinas de 300, 600 y 1200 espiras. En la práctica, se reemplazó la bobina de 600 espiras por una de 900.

Una vez que el equipo esté listo, coger el imán en forma de herradura y desplazarlo por el interior de la bobina, tratando que este desplazamiento sea a velocidad constante. Esto para cada una de las bobinas, siempre desplazando el mismo polo del imán. Mientras se realiza este movimiento, observar las lecturas del voltímetro.

b) Sentido de circulación de la corriente en función del movimiento de los polos del imán Para esta parte de la experimentación, se emplea el mismo equipo de la sección anterior. Ahora, lo que ocurre es que trabajamos con el polo contrario al que usamos en la actividad a. Observar qué lecturas da el voltímetro ahora. No olvidar que para esta sección se deberá desplazar el imán con la misma velocidad con que se lo hizo anteriormente. c) Obtención de tensión inducida alterna El equipo que se emplea para esta actividad es el siguiente, formado por una bobina de 600 espiras (en realidad se trabajó con una de 900) con un núcleo de hierro en su interior; la bobina conectada a un multímetro y expuesta a un imán que rota encima de ella:

Con unos cables, suspender el imán en forma de herradura y enrollar el cable, de manera que al soltarlo el imán comience a girar libremente. Observar lo que ocurre con la aguja del multímetro a medida que aumenta la velocidad de rotación del imán. d) Tensión inducida en función del circuito magnético Para esta actividad, se deberá armar de tres maneras el equipo formado por dos bobinas: una de 1000 espiras conectada a una fuente de voltaje y la otra de 500 espiras conectada a un voltímetro. Lo que variará será el material que se introduce en la bobina conectada al voltímetro, tal y como lo muestran las figuras siguientes: I. Aire

II. Fe(I)

III. Fe (II)

Para cada una de las disposiciones mostradas, conectar el interruptor S y registrar los valores que marque el voltímetro. e) Tensión inducida en función de la superficie de las bobinas Para esta actividad, se trabaja con las dos bobinas anteriores de 500 y 1000 espiras, pero ahora el equipo viene armado de la siguiente manera:

Lo que se hace en esta ocasión es deslizar la bobina de 500 espiras de la manera que lo indica la figura. Registrar las observaciones con respecto a esta experimentación. f) Sentido de la corriente inducida En esta última sección se tiene el siguiente equipo, en el cual el aro de aluminio se encuentra suspendido y en reposo, colgando de un soporte:

Cuando el aro de aluminio en reposo se debe conectar el interruptor S del circuito. Registrar las observaciones referentes a lo que ocurre con el aro de aluminio.

DATOS Y RESULTADOS a) Tensión inducida en función del número de espiras Tabla 1.- Valores de fem inducida en las bobinas al desplazar un imán a través de ellas. El valor que se tomó fue el máximo al ingresar el imán a las bobinas. Se trabajó con el polo norte del imán.

Nº Espiras ε (mV) ±∆𝛆 = ±𝟓𝒎𝑽

300 10mV

900 30mV

1200 40mV

Observaciones: Al ingresar el imán en las bobinas, el valor marcado por el voltímetro iba en aumento hacia la derecha, hasta el valor máximo mostrado en la tabla y luego hacia cero; después al ir retirando el imán el valor del voltímetro comenzó a aumentar pero hacia el otro lado, hasta un valor máximo y luego retornando a cero.

b) Sentido de circulación de la corriente en función del movimiento de los polos del imán Tabla 2.- Valores de fem inducida en las bobinas al desplazar un imán a través de ellas. El valor que se tomó fue el máximo al ingresar el imán a las bobinas. Se trabajó con el polo sur del imán.

Nº Espiras ε (mV) ±∆𝛆 = ±𝟓𝒎𝑽

300 -10mV

900 -30mV

1200 -40mV

Observaciones: El comportamiento fue similar al de la sección a, pero el movimiento de la aguja del voltímetro fue contrario. Es decir, al ingresar el imán a las bobinas, la aguja se movía hacia la izquierda y al retirarlo hacia la derecha. Diferencia entre los datos obtenidos en (a) y (b): se invierte el movimiento de la aguja del voltímetro por tanto el signo del valor de fem. c) Obtención de tensión inducida alterna Observaciones: Al girar el imán sobre la bobina, la aguja del voltimetro oscilaba. Mientras el imán giraba más rápido, la aguja oscilaba más rápido y era como si se quedara en 0. d) Tensión inducida en función del circuito magnético Tabla 3.- Valores de fem inducida en las bobinas según el circuito magnético

Material dentro de bobina 500 espiras ε (mV) ±∆𝛆 = ±𝟓𝒎𝑽

Aire

Fe (I)

Fe (II)

0.2

2

150

e) Tensión inducida en función de la superficie de las bobinas Observaciones al deslizar la bobina: Al deslizar la bobina hacia arriba, la aguja del voltímetro comenzó a mover a la izquierda y pasaba lo opuesto si deslizábamos hacia abajo. Por tanto al mover la bobina de arriba abajo muy rápido la aguja oscilaba y tendía a quedarse en cero.

Imágenes

Image1: tensión inducida espiras

Image3: tensión inducida circuito

Image2: tensión inducida superf

Image2: tensión inducida alterna

ANÁLISIS DEL EXPERIMENTO a) Como varia la tensión inducida en función del número de espiras? Al aumentar el número de espiras y manteniéndose el flujo magnético constante, aumenta la FEM b) Porque es preferible conectar las bobinas en serie para este experimento y no utilizarlas una a una? Es preferible conectar las bobinas en serie para este experimento debido a que en esta conexión comparten la misma corriente. c) Como influyen los polos del imán en el sentido de circulación de la corriente inducida? Al presentarse una variación en el sentido de los polos del imán, esto influye a que el sentido de la corriente inducida también varíe. d) Que tipo de corriente se induce al girar el imán? Cuando el imán comienza a rotar, en el sistema se genera una diferencia de potencial capaz de producir una corriente eléctrica. De este modo se producen tensiones eléctricas entre sus bordes, cuya polaridad es positiva o negativa, se invierte alternativamente con el pasar del tiempo. Cuando esta tensión se aplica a un circuito eléctrico, produce en él una corriente alterna que se caracteriza por una inversión alternativa, con idéntica frecuencia, cuya representación gráfica, en función del tiempo, tiene la forma de una línea sinusoidal. e) Como depende la tensión inducida del tipo de núcleo de la bobina inducida? La tensión inducida depende del material con el cual está elaborado el núcleo de la bobina.

CONCLUSIONES DEL EXPERIMENTO 







  

Por medio de campos magnéticos obtenidos de bobinas energizadas con corriente AC se pudo generar e inducir una fuerza electromotriz sobre espiras con núcleo de hierro o sin núcleo. En la práctica concluimos que la f.e.m. depende de la variación del campo externo con respecto al tiempo y del tipo de núcleo que se coloque en la bobina. En el experimento de tensión inducida en función del circuito magnético concluimos que cuando la corriente variaba esta hacia que varíe el campo magnético aumentando la fem. En el experimento de tensión inducida en función del campo del electroimán concluimos que podemos elevar o reducir la f.e.m. inducida dependiendo del número de espiras en la bobina inductora y en la bobina inducida. Según la dirección del campo magnético, el sentido de la fem inducida varía Cuando hay un campo magnético variable al que una bobina está expuesta, lo que se induce es una tensión alterna. Si se desliza una bobina cerca de otra en la cual circula corriente, una fem es inducida debido al movimiento relativo entre la bobina y el campo magnético generado por la bobina conectada a la fuente.

CONCLUSIÓN En la investigación de este trabajo "electromagnetismo" me di cuenta que muchos aparatos eléctricos que incluso tenemos en la casa funcionan gracias a este fenómeno que ha sido tan estudiado por tantos años y que cada vez se presentan nuevos avances en la tecnología, en las comunicaciones gracias al electromagnetismo. En este trabajo me pude dar cuenta lo que significa el fenómeno de electromagnetismo, sus usos, su historia y los científicos que lo han estudiado por años. Se puede apreciar como dos fenómenos como la electricidad y el magnetismo se unen formando el centro de nuestra investigación, como un simple sonido del timbre de nuestra casa puede contener la ciencia estudiada, lo que significa que donde miremos la física va a estar ahí con alguno de sus múltiples fenómenos. La vida en la tierra entorna a la física, esta es la que nos explica los diferentes fenómenos que suceden a nuestro alrededor. La autoinductancia es independiente del voltaje o la intensidad de corriente. Está determinada por la geometría de la bobina y las propiedades magnéticas del núcleo. La inducción ocurre solamente cuando el conductor se mueve en ángulo recto con respecto a la dirección del campo magnético. Este movimiento es necesario para que se produzca la inducción, pero es un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético. De esta forma, un campo magnético en expansión y compresión puede crearse con una corriente a través de un cable o un electroimán. Dado que la corriente del electroimán aumenta y se reduce, su campo magnético se expande y se comprime (las líneas de fuerza se mueven hacia adelante y hacia atrás). El campo en movimiento puede inducir una corriente en un hilo fijo cercano. Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito eléctrico es necesaria una fuente de fuerza electromotriz. Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del conductor.

BIBLIOGRAFIA  Guía de Laboratorio de Física C. ICF - ESPOL. Revisión IV  SERWAY, Raymond. Física, Edic. 5, Pearson Educación, México, 2001.  SERWAY, Raymond A, Física, vol II. Edit. McGraw-Hill, tercera edición revisada, 1993  KAGANOV, M y V. Tsukernik (1985), La Naturaleza del Magnetísmo, Edil., Mir.  http://www.pps.k12.or.us/district/depts/edmedia/videoteca/curso3/htmlb/ SEC_65.HTM  http://ec.kalipedia.com/ciencias-vida/tema/funcion-reproduccion/induccionelectromagnetica.html?x=20070924klpcnafyq_342.Kes

