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Experiencia

2015 N°8:ELECTROMAGNETISMO E INDUCCIÓN MAGNÉTICA Integrantes:  Lizonde Peredo, James  Machado Pereyra Rodrigo  Jiménez Huaranga Alex  Carhuallanqui Manrique Kevin

Universid ad Nacional Mayor de San

Lic. Miguel Castillo

I.

OBJETIVOS

Comprobar que el campo magnético existe, promedio de una simple Laboratorio deaguja Físicaperpendicularmente III: Electricidad y a la posición en brújula, la cual moverá su Magnetismo

EXPERIENCIA N°8: POTENCIA ELÉCTRICA- CONDENSADORES Y BOBINAS EN CIRCUITODE C.C

que se encuentra la brújula cruzada por debajo por el cable, mientras el sistema esté cerrado. Comprobar que al poner corriente eléctrica en una solenoide en la cual existe un metal capaz de ser magnetizado posicionado en el centro de la solenoide, adquiere la propiedad de atraer objetos magnéticos mientras el sistema eléctrico está cerrado.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO  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: 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 CREADO POR UN CONDUCTOR RECTILÍNEO Una corriente rectilínea crea a su alrededor un campo magnético cuya intensidad se incrementa al aumentar la intensidad de la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la distancia con respecto al conductor. En 1820 el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que entre el magnetismo y las cargas de la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación.

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Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se encuentran en movimiento en esos momentos, originan la aparición de un campo magnético tal a su alrededor, que puede desviar la aguja de una brújula.

 CAMPO MAGNETICO 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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 LA MATERIA EN EL CAMPO MAGNÉTICO Intensidad de campo H y densidad de flujo B Todas las corrientes eléctricas están rodeadas por campos magnéticos. Aquí se diferencia entre dos magnitudes: La intensidad de campo H, conocida también como excitación magnética, se genera únicamente con corriente eléctrica verdadera (esto es, mensurable con el amperímetro). Caracteriza el origen del campo magnético. La densidad de flujo B es responsable de la inducción, de la fuerza de Lorentz al igual que de la atracción y repulsión de los imanes (permanentes). Por esta razón, caracteriza el efecto del campo magnético.

La materia en el campo magnético Si una bobina se encuentra en el vacío (o lo suficientemente cercana al campo magnético, en la atmósfera), es válido lo siguiente: Constante de campo magnético · 10-7 Vs/Am Unidad SI de la intensidad de campo H Unidad SI de la densidad de flujo magnético B Vs/m2

µo = 4 µ A/m T (Tesla) =

B = µ0 · H Se puede comprobar con facilidad que, con igual corriente I (y, por tanto, con igual intensidad de campo H), la densidad de flujo magnético B varía si se introduce materia en el interior de una bobina. Para la descripción de este fenómeno, dependiente de la materia, se introdujo la constante de permeabilidad magnética relativa µr : Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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µr = B (materia) / B (vacío) De acuerdo con la permeabilidad magnética relativa, los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales: Diamagnéticos: µr < 1 Paramagnéticos: µr > 1 Ferromagnéticos: µr >> 1 µ En los dos primeros grupos, µr se aleja de 1 de forma poco significativa. En el caso de los ferro magnetos, se da el caso contrario puesto que µr puede alcanzar valores 100.000 veces mayores. Bobina con núcleo de hierro Si se coloca un núcleo de hierro dentro de una bobina, aquél se verá magnetizado por ésta. Así se produce un electroimán:

El campo magnético resultante es mucho más fuerte que el de la bobina sin núcleo de hierro.

 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 Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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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.

 LEY DE LA INDUCCIÓN Los procesos físicos relativos a este fenómeno se describen mediante la ley de la inducción. Una variación del flujo en el tiempo dF/dt induce en un bucle conductor, que abarca la superficie A, la tensión de inducción.

Si el conductor es una bobina con n vuelta, las tensiones parciales inducidas en cada arrollamiento se suman para conformar la tensión total

III. EXPERIMENTOS A. CAMPO MAGNETICO CONDUCTOR 1

DE

UN

Con una brújula se verificará el campo magnético de un conductor por el que circula corriente. Monte el siguiente arreglo experimental: Aleje el imán por lo 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. 1 Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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¿Cómo se comporta la aguja imantada cuando 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.

B. CAMPO CONDUCTOR

MAGNETICO

DE

UN

 Se averiguará si es mayor el campo magnético de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente.  Se analizará si la polaridad de la corriente ejerce alguna influencia. 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: a) En el caso del bucle conductor la deflexión de la aguja es: más fuerte b) 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?  Esto sucede porque el sentido de las líneas de campo concéntricas cambia de dirección por la regla de la mano derecha.

C.VERIFICACIÓN DEL CAMPO MAGNETICO 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. 1 Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL: Con la brújula que se mueve alrededor de la bobina se observa que la aguja mantiene su posición indicando de norte a sur  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 coloca en una nueva posición sobre la bobina  Cuando en el solenoide se conecta con una fuente de corriente, éste se polariza en sus extremos de esta manera se le puede comparar como un imán de barra, al tener polo norte y polo sur, entonces al pasar una corriente la aguja de la brújula se orientara en diferentes sentidos mientras cuando no haya corriente la aguja mantendrá la misma dirección. ¿La aguja de la brújula se orienta?  Se orienta en sentido paralelo a las líneas de campo ¿Las líneas de campo describen un arco?  Si describen un arco orientado de polo norte a polo sur en la bobina 1 Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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D.

EFECTO DEL NUCLEO DE HIERRO

SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL: 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. ¿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. Esto sucede debido a que cundo introducimos un núcleo de hierro el campo magnético se ve reforzado y esto hace que la aguja de la brújula se desvíe mucho más que antes de introducir el núcleo de hierro.

E.EFECTO DINÁMICO MAGNÉTICO SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL: Se verificará si una fuerza actúa sobre un imán que se introduce en una bobina. Introduzca y saque repetidamente el imán del devanado de la bobina con corriente. ¿Qué se siente?  Dependiendo de la polaridad del imán permanente, este es empujado al interior de la bobina o expelido del mismo  Se siente la presencia de fuerzas.

F. 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: 1 Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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 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. A) ¿Conserva el núcleo de hierro propiedades magnéticas después de que el campo ha actuado sobre él? (Mantenga el imán permanente a suficiente distancia)

 El núcleo de hierro desvía ostensiblemente la aguja imantada; Por tanto posee un campo magnético. B) ¿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.

C) ¿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.

G.

INDUCCIÓN 1

SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL: En una bobina sin núcleo se generará una tensión con el movimiento de un imán permanente. Dicha tensión se medirá con un voltímetro. Abra el instrumento virtual voltímetro A del menú de instrumentos de medición o pulse sobre la imagen del instrumento.  Rango: 0,5 V, DC  Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio) Conecte 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. Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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Cuando se mueve el imán hacia la bobina conectada al voltímetro, su lectura cambia desde cero, lo que indica que se ha inducido una corriente en la espira. Recordemos que le caída de tensión y la corriente están relacionadas de forma directa. Cuando el imán se mueve alejándose de la bobina, la lectura del voltímetro se desvía en la dirección opuesta, lo que indica que la corriente inducida tiene dirección contraria.

 Cuanto más rápido sea el movimiento, mayor será la amplitud de la tensión.

Faraday concluyó: es posible inducir una corriente eléctrica en una espira mediante un campo magnético cambiante. La fem inducida es directamente proporcional a la rapidez de cambio con el tiempo del flujo magnético a través de la espira. Este enunciado, puede ser escrito matemáticamente como Ley de inducción de Faraday: ε=

−d Φ B dt

Al aumentar la rapidez del movimiento del imán aumenta también la rapidez del cambio del flujo magnético en el tiempo al interior de la bobina, de manera que la corriente inducida aumenta lo que se puede comprobar a través del aumento de la amplitud de la tensión.

H.

INDUCCIÓN 2

SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL: Se variará el campo magnético sin realizar ningún movimiento, encendiendo y apagando la corriente en una "bobina de campo". Se observará la tensión inducida en una segunda bobina y se medirá esta tensión con un voltímetro. 1 Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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 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 solo muy breve, a continuación la tensión vuelve a caer a cero.

IV. CONCLUSIONES  Al que dar la bobina cargada por una corriente inducida, tiende a descargarse, por lo cual el voltímetro indicada una medición brevemente.  El campo sufre variación al abrir y cerrar el circuito.  La corriente inducida en una bobina dura solo el instante de la variación del campo.  Cuando se cambia la dirección del movimiento del imán, se cambia también la dirección de la corriente inducida por dicho movimiento.  El efecto de cambiar la polaridad del imán que se pone en movimiento al interior de una bobina no interviene en la generación de la corriente inducida en ésta.  El campo sufre variación al abrir y cerrar el circuito.  La dirección de la fuerza magnética se determina por la regla de la mano derecha.  La fuerza F es siempre perpendicular al plano de v y B.  Al medir el azimut de una brújula puede que no marque el verdadero valor, debido a perturbaciones producidas por otros campos.  Al que dar la bobina cargada por una corriente inducida, tiende a descargarse, por lo cual el voltímetro indicada una medición brevemente. V.

BIBLIOGRAFÍA

 Manual de laboratorio de física I.  Manual de laboratorio de física III.  Manual de laboratorio de Electricidad y MagnetismoFísica III, 7 ma Edición. 1 Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo

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 Peul Hewitt; Fundamentos de Física Conceptual; México; 2009; Pearson Educación.  Raymond A. Serway; Física; cuarta edición; México; 1997; McGraw-Hill; pp. 727; español.  Física para ciencias e ingeniería con física moderna, volumen 2, Séptima edición

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