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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

PROYECTO FINAL DE FISICA III: “EFECTO DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE APLICADA SOBRE LA INDUCCIÓN MAGNÉTICA GENERADA POR UN ELECTROIMÁN”

PROFESOR:

FLORES MOSCOL FREDY JULIO

AUTORES:

ROGER LOPEZ MAURICIO MIGUEL HERRERA GERMAN CARLOS NUÑERA ATALAYA PAOLA RAMIREZ PEÑA SANTIAGO SANCHEZ RODRIGUEZ

TRUJILLO - PERÚ 2014

RESUMEN En el presente trabajo de investigación, se evaluó el efecto de la intensidad de corriente aplicada sobre la inducción magnética generada por un electroimán. Para la toma de datos, se utilizó una fuente de alimentación que suministra corriente eléctrica de 2 A hasta 8 A, cuando el circuito se cierra (todas las conexiones en su lugar) y se enciende la fuente, el periodo del ensayo no sobrepasa los 10 segundos. Probetas (electroimanes) con tipo de núcleo diamagnético (en total 9 tornillos), el número de espiras o vueltas alrededor del núcleo de 400 (por cada capa 40 vueltas y en total 10 capas) y una longitud axial del electroimán de 5.4 cm. La determinación de la inducción magnética de estas probetas se realizó analíticamente. Los resultados demuestran que el rango de intensidad de corriente para generar apropiada inducción magnética se encuentra entre 2 y 5 A, donde los valores de inducción magnética son 0.035 y 0.073 T respectivamente. Asimismo, el rango apropiado de intensidad de corriente para generar campo magnético es igual que el anterior, y sus valores de campo magnético son 2.83E+04 y 5.67E+04A/m respectivamente. Como referencia, para la altura de impulso del imán natural, su altura máxima es

15.53

cm con intensidad de corriente de 7.71 A e inducción magnética de 0.073 T, y para la altura de estabilidad del imán natural, llega a 5.50 cm con intensidad de corriente 7.81 A e inducción magnética de 0.073 T. De lo anterior se infiere que la corriente aplicada para generar inducción magnética tiene un rango de amperaje y también sucede para que el imán natural levite. Por último se debe controlar la intensidad de corriente suministrada, ya que al suministrar más corriente al electroimán ya no generara más inducción magnética y por lo tanto la altura de levitación del imán natural no aumentará.

ÍNDICE Resumen...........................................................................................................................i Índice..............................................................................................................................iii Lista de tablas.................................................................................................................iv Lista de figuras................................................................................................................v Lista de fotografías..........................................................................................................x

I. INTRODUCCIÓN 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA Los electroimanes se usan en muchas situaciones de la vida cotidiana en las que se necesita un campo de inducción variable. Son componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los frenos electromagnéticos se adhieren directamente a los rieles y se usan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, así como separar magnéticamente metales en chatarrerías y centros de reciclaje.

Así también se usan en motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que impulse la armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es el más usado a menudo debido a su bajo costo, y a veces se emplea aluminio para reducir el peso. Pese a que el uso de éstos de mucha importancia, hay escasa información que nos mencione de la potencia, corriente, voltaje o campo generado; lo cual genera en pérdidas de eficiencia, de equipos o instrumentos durante su uso.

También, en la ciudad de Trujillo existen muchos talleres mecánico-eléctricos donde su personal son técnicos empíricos a la cual dan solución a los motores eléctricos, frenos y embragues electromagnéticos y entre otros dispositivos que funcionan con un electroimán, de manera temporal y no duradera, perdiendo en forma gradual su eficiencia de funcionamiento del electroimán, ya que no cuentan con la información adecuada sobre inducción magnética y caracterización de un electroimán como puede ser el números de vueltas del embobinado, tipo de material del núcleo si es necesario para mantener o aumentar el campo magnético y la inducción magnética, y entre otros características de mucha importancia, logrando una eficacia de los dispositivos electromagnético a operar.

1.2. FUNDAMENTO TEORICO A. CAMPOS MAGNÉTICOS El magnetismo tiene una naturaleza dipolar, siempre hay dos polos magnéticos separados a una distancia determinada y este comportamiento se extiende hasta los pequeños dipolos magnéticos encontrados en algunos átomos. El campo magnético se produce por materiales imanados (metales como Fe, Co, Ni) o por conductores portadores de corriente eléctrica. El campo magnético de una barra imantada (fig. 1.1) se puede observar (espolvoreando limaduras de hierro) mediante las líneas de campo magnéticos, donde salen por el polo

Fig. 1.1 Líneas de campo magnético para dos imanes que se repelan (I) o se atraen (II). [6]

Los campos magnéticos también son producidos por conductores portadores de corriente. La figura 1.2 muestra la formación de un campo magnético alrededor de una larga bobina de hilo de cobre, llamada solenoide. La ecuación (1) proporciona la intensidad del campo magnético (H) para un solenoide de “n” vueltas y longitud “l” : [4]

…………………………………. (1)

Dónde: H

:

intensidad del campo magnético [A - vuelta/m]

l

:

longitud de la bobina [m]

I

:

intensidad de la corriente [A]

Fig. 1.2 Campo magnético creado alrededor de una bobina de hilo de cobre (solenoide). [8]

a.1 Efecto magnético de la corriente eléctrica Las líneas de fuerza son concéntricas al conductor (fig. 1.3), y su densidad disminuye a medida que nos alejamos de él. La intensidad del campo magnético producido por una corriente eléctrica es directamente proporcional a la intensidad de esa corriente. Si observamos el conductor en la dirección de la corriente, las líneas de fuerza de campo obtenido giran alrededor del conductor en el sentido de las agujas del reloj. [7]

Fig. 1.3 Campos magnéticos alrededor de conductores atravesados por una corriente eléctrica. [7]

B. ELECTROMAGNETISMO 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 (fig.1.4). Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se encuentran en movimiento en esos momentos, originan la aparición de un campo magnético a su alrededor.

Fig. 1.4 Efecto magnético de corriente en: a) sin corriente la brújula apunta hacia el norte y b) cuando hay corriente la brújula se mueve y casi se alinea perpendicular al cable. [11] A un solenoide le aplicamos una tensión o voltaje creará un campo magnético más intenso que el que se origina en el conductor normal de un circuito eléctrico. La misma bobina con núcleo de aire le introducimos un trozo de metal como el hierro, el núcleo ahora metálico (fig. 1.5), provocará que se intensifique el campo magnético y actuará como un imán eléctrico (electroimán), con el que se podrán atraer diferentes objetos metálicos durante todo el tiempo que la corriente eléctrica se mantenga circulando por las espiras del enrollado de alambre de cobre. [8]

Fig.1.5 Bobina solenoide con núcleo metálico para intensificar los campos magnéticos. [8] Existen materiales naturales o sintéticos que crean campo magnético. Los campos creados por los materiales magnéticos surgen de dos fuentes atómicas: (1) los momentos angulares orbitales y (2) de espín de los electrones, que al estar en movimiento continuo en el material experimenta fuerzas ante un campo magnético aplicado. Los materiales magnéticos se caracterizan por su permeabilidad (μ), la relación entre el campo de inducción magnética (B) y el campo magnético dentro del material (H) dada por la ecuación (2):

………………………………. (2)

Dónde: B

:

inducción magnética [T ó Wb/m2]

μ

:

permeabilidad en un material [Wb/A-m]

La permeabilidad (μ) de la ecuación (1.3) se obtiene del producto entre la permeabilidad

relativa del material (μr) y la permeabilidad del vacío (μo):

………..….………………… (1.3)

Donde la permeabilidad relativa no tiene unidades y μo = 4π x 10-7 Wb/Amp-m El diamagnetismo es una forma muy débil de magnetismo que no es permanente y persiste sólo mientras el campo externo está presente. La magnitud del momento magnético inducido es extremadamente pequeña y en una dirección opuesta a la del campo aplicado. La permeabilidad relativa μr es menor que la unidad y la susceptibilidad magnética es negativa. El diamagnetismo fue descubierto por Faraday en 1846. Ejemplos de materiales diamagnéticos son el Cu y He.

1.3 PROBLEMA ¿En qué medida ocurre el efecto de la intensidad de corriente aplicada sobre la inducción magnética generada por un electroimán?

Intensidad de corriente

Electroimanes

Generación del campo magnético

Inducción magnética

Fig. 1.10 Esquema de investigación experimental de inducción magnética.

1.4 HIPOTESIS A medida que aumenta la intensidad de corriente se generará un mayor efecto de inducción magnética en el electroimán. 1.5 OBJETIVOS A. OBJETIVO GENERAL

1. Determinar el efecto de la intensidad de corriente aplicado sobre la inducción magnética generado por un electroimán.

B. OBJETIVO ESPECÍFICO

2. Calcular la intensidad de inducción magnética generado por un electroimán con corriente continua. 3. Preparar el electroimán bajo las condiciones apropiadas de embobinado a ensayar. 4. Preparar y acondicionar el circuito de ensayo experimental. 5. Determinar el campo magnético generado por un electroimán con corriente continua. 6. Determinar la altura de impulso y la altura estable o levitación del imán natural producido por la inducción magnética del electroimán.

1.6 IMPORTANCIA Existen en el ámbito científico, industrial, técnico y doméstico dispositivos que emplean electroimanes con diversas finalidades. Por esta razón es importante que se siga investigando

su funcionamiento. Así también presentar a la comunidad científica y tecnológica, información que sumará a datos recogidos en otras investigaciones y con la ejecución de este trabajo se comprobará la validez de los resultados experimentales encontrados en la literatura técnica.

II. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. MATERIALES Fig. 2.1 Electroimán fabricado.

Características del electroimán: Nº de tornillos = 10 Nº de vueltas = 400

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Campo magnético generado por los electroimanes Tabla Nº 3.1. Campo magnética de los electroimanes con diferentes intensidades de corriente

Cálculo de la inducción magnética Donde: μ : permeabilidad en un material (Wb/ A-m) μ r : permeabilidad relativa del material μr (Cu) = 0.99999 0.99999 μo : permeabilidad del vacío (Wb/ A-m) 1.25664E-06

3.2. Altura de impulso del imán natural debido a la inducción magnética generada por el electroimán.

Tabla Nº 3.2. Altura de impulso del imán natural debido a la inducción magnética por el electroimán.

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1. CONCLUSIONES 1.

Se logró evaluar experimentalmente la relación causa – efecto de la intensidad de corriente aplicada sobre la inducción magnética generada por el electroimán a través del multitester y con sustento matemática de las fórmulas de inducción magnética. 2. Se obtuvieron valores óptimos de intensidad de corriente aplicada para generar inducción magnética por los electroimanes que son de 6 a 8 A y con 0.035 a 0.073 T, respectivamente.

4.2. RECOMENDACIONES 1.

Realizar la inducción magnética con otras características de electroimanes, como la forma, el núcleo (tipo de material), el número de vueltas, el diámetro del alambre de Cu esmaltado y la longitud axial del electroimán

2.

por fabricar. Realizar la inducción magnética generada por los electroimanes con

3.

corriente alterna. Se logre la motivación de realizar más proyectos de investigación y que contribuyan con la enseñanza, investigación y extensión universitaria de esta nueva línea de Materiales Electrónicos.

V. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

[1]

Belinchón de Diego, J.; (2008). “Estudio comparativo espectroscopia por resonancia magnética-anatomía patológica en el tratamiento de los tumores cerebrales”. Universitat de Valencia - España, Edit. Servei Publicacions, pp 15 – 20.

[2]

Florio, M. y Curotto, M.; (2006). “Levitación Magnética”. [on line]. Disponible en: http://www.omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/ele ctr.htm. [Consulta] Marzo 2010.

[3]

Olarte

Hernández

T,

y

Tamayo

Holguín

J.;

(2007).

“Levitador

electromagnética”. [on line]. Disponible en: http://ingenieria-matematica.eafit.edu.co/biblioteca/trabajos_estudiantes /trabajo_levitador_electromagnetico.pdf [Consulta] Marzo 2010. [4] “Teorías Modernas Del Campo Electromagnético”. [on line]. Disponible en: http://exa.unne.edu.ar/depar/areas/fisica/electymagne/TEORIA/elecmagnet/camp o/CONCEPTO2.htm#El%20descubrimiento%20de%20las%20ondas %20electromagnéticas. [Consulta] Marzo 2010. [5] “Materiales Mágneticos”. [on line]. Disponible en: http://materias.fi.uba.ar/6209/download/4-Materiales%20Magneticos.pdf. [Consulta] Marzo 2010. [6] “Levitación Magnética y Superconductividad”. [on line]. Disponible en:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/materiales/superconductor/superc onductor.html [Consulta] Abril 2010. [7]

Tomo 8: “Ciencia y Tecnología”, Enciclopedia Temática Multimedia (2007) Ediciones Credimar, Barcelona – España, pp. 86.

[8]

“Que es el electromagnetismo”. [on line]. Disponible en: http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_3.htm [Consulta] Abril 2010.

[9] “ELECTROMAGNETISMO”. [on line]. Disponible en: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/sec_ 11.htm [Consulta] Abril 2010. [10]

Paul M.; (2001). “Electricidad y Electrónica”, Biblioteca de la Ciencia de Oxford. Volumen 6. Edición Grupo La República, Lima – Perú. pp. 15.

[11] “ORIGEN ELECTRICO DEL MAGNETISMO” [on line]. Disponible en: http://www.utp.edu.co/php/revistas/ScientiaEtTechnica/docsFTP/111329187192.pdf [Consulta] Abril 2010.

VI. PANEL FOTOGRAFICO:

Fig. 5.1. Bobina de 40 vueltas con 10 capas

Fig. 5.2. Bobinas para el ensayo

Fig. 5.3. Realizando los ensayos en bobina de 400 vueltas

Fig. 5.4. Realizando los ensayos en bobina de 240 vueltas