campo magnetico.docx

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

Instituto de Ciencias FísicasLABORATORIO DE FÍSICA C

Paralelo 16Profesor

Ing. Carlos Martínez

“PRODUCCIÓN DE CAMPOS MAGNÉTICOS”

Integrantes Ma. Isabel Alcívar

David LiLuis Padilla

Ricardo Meza

Estudiante Ma. Isabel Alcívar García

Viernes 27 de agostoI Término 2010

OBJETIVOSObtener campos magnéticos utilizando corriente continua y corriente alterna

ABSTRACT Magnetic fields can be generated by electric currents, because of the intimate relationship that was accidentally found between electricity and magnetism. Electromagnetism, as it was called, is fundamental for the development of our society. Through coils and conductors through which current will flow, we expect to identify how magnetic fields are given and how they interact with one another.

RESUMEN Los campos magnéticos pueden ser generados por corrientes eléctricas, debido a la íntima relación que accidentalmente fue encontrada entre la electricidad y el magnetismo. El electromagnetismo, como se denominó, constituye un área fundamental e importante para el desarrollo de nuestra sociedad. A través de bobinas y conductores por los cuales circula una corriente, buscaremos identificar cómo vienen dados los campos magnéticos generados por las mismas, y además, la interacción entre dichos campos.

CONCEPTOS CLAVES Electromagnetismo Solenoide (bobina) Corriente alterna Anillo de Thompson

INTRODUCCIÓNCreación de Campos Magnéticos

A principios del siglo, los únicos dispositivos para producir corriente eran las pilas voltaicas, que producían corrientes pequeñas al disolver metales en ácidos. Fueron precursoras de las baterías actuales. Oersted, en 1820, encontró que los conductores con corriente eléctrica producían magnetismo. Entonces surgió la pregunta de si la electricidad podría producirse mediante magnetismo. En 1831, dos científicos contestaron la pregunta, Michael Faraday en Inglaterra y Joseph Henry en Estados Unidos, cada uno trabajando de forma independiente sin tener noticia del otro. Este descubrimiento cambió el mundo, al hacer que la electricidad fuera lugar común, suministrando energía a las industrias en el día y alumbrando ciudades por la noche.

Hasta la segunda mitad del siglo XIX, varios científicos no creían en la íntima relación entre el magnetismo y la electricidad; entre ellos Charles Agustin Coulomb afirmaba que era imposible la existencia de dicha relación. Según John Desmond Bernald, en un accidente ocurrido en Copenhague cuando Hans Christian Oersted realizaba unos experimentos con corriente eléctrica y

Ma. Isabel Alcívar GarcíaProducción de Campos Magnéticos

brújulas magnéticas, descubrió la íntima relación entre la electricidad y el magnetismo, relación que la denominó electromagnetismo.

En 1819, Hans Christian Oersted, mientras realizaba experimentos con la pila de Alessandro Guiseppe Volta, observó que al circular corriente eléctrica un conductor localizado en las cercanías de una aguja magnética, ésta se orientaba perpendicularmente al conductor.

Inmediatamente que Oersted publicó los resultados de sus experimentos, varios físicos se lanzaron a investigarlos, entre ellos André Marie Ampere, quien enunció la regla de la mano derecha para establecer el sentido del campo magnético en las vecindades de un conductor por el cual circula una corriente eléctrica. El sentido del campo magnético B es la de los dedos que rodean el conductor, cuando a este se lo toma con la mano derecha de tal modo que el dedo pulgar apunta en el mismo sentido en el que circula la corriente eléctrica.

Ampere también trabajó en la interacción entre conductores paralelos que transporten corriente eléctrica en igual sentido y en los opuestos, así como también en bobinas y solenoides.

Un solenoide, o también llamado bobina, inductor o choque es un dispositivo que no es más que un conjunto de varias vueltas o espiras de alambre de cobre, enrolladas sobre un núcleo que podría ser hierro, aire o ferrita.

Utilizando la ley de Ampere, el campo magnético calculado para el inductor de un solenoide de longitud infinita, tiene la expresión:


B=μ0∈¿

Donde:

n es el número de vueltas por unidad de longitud

i es la corriente que circula el solenoide

µ0 es la constante de permeabilidad magnética del espacio libre

La expresión B= µ0in se verifica bastante bien para solenoides reales en puntos cercanos al centro de la bobina.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALEsta práctica consiste en 5 actividades, las cuales nos permitirán observar cómo vienen dados los campos magnéticos generados en distintos dispositivos y las direcciones de los mismos, además de los fenómenos que provoca en otros elementos, como es el caso del anillo de Thompson. Para todos estos experimentos, se requerirán los siguientes materiales:

Brújula de bolsillo Puente de bajo voltaje, 0, 0V-

25,0V Cables de conexión Interruptores Reóstato de 33 ohmios Bobinas de 500 y 1000

espiras Yugo laminado Yugo macizo Núcleo en forma de U Plataforma con ruedas

Imán permanente en forma de barra

Imán permanente en forma de herradura

Galvanómetros Aro de aluminio Estativo Pinza de mesa, “pass” Aisladores con soporte Tuercas de sujeción Bobina de aluminio (4 esp.)

a) Obtención de campos magnéticos utilizando corriente continuaEn esta actividad, se debe armar el circuito de la figura siguiente. Antes de conectar el interruptor, predecir el sentido en el cual girará la brújula cuando fluya corriente por el conductor al cerrar el switch. Luego de realizada la observación, invertir las polaridades y ver qué ocurre.


Brújula

Conductor

Fuente de Voltaje DC

Switch

b) Campo magnético de un solenoidePara este experimento, se deberá armar el circuito de la figura a continuación, el cual consiste de una fuente de voltaje DC a la cual se conecta un amperímetro para regular la corriente, una bobina de 1000 espiras y un switch. Observar lo que ocurre con la aguja de la brújula que se coloca cerca de un extremo de la bobina al cerrar el switch. Después, desconectar el interruptor e invertir la polaridad de la fuente, para luego conectar el switch y observar qué ocurre ahora con la brújula.

c) Interacciones entre campos magnéticosEl equipo a utilizar en esta actividad se muestra a continuación. Consiste de un solenoide conectado a una fuente DC que luego se pone a interactuar con un imán en forma de herradura. Mantener la distancia entre la bobina y el imán permanente en 0,5 cm y la corriente en 1.0 A. Conecte y desconecte el interruptor y describir lo que se observa. Luego repetir el proceso invirtiendo la polaridad de la fuente.

d) Cálculo de la resistencia de una bobina con diferentes núcleos, a partir de los valores medidos de tensión y corrienteEn esta actividad, armar el circuito siguiente, y registrar los valores de corriente para las distintas configuraciones (bobina con distintos núcleos). El voltaje se debe ajustar previamente en 5V.


Brújula

Amperímetro

Bobina (solenoide)


Interruptor


Imán permanente

Bobina

Amperímetro

Interruptor

Fuente de Voltaje ACAmperímetro (AC)

Voltímetro (AC)

e) Demostración cualitativa de la levitación magnética (Anillo de Thompson)En esta última práctica se deberá armar el circuito que se muestra. Luego, se aumenta totalmente la tensión de la fuente hasta que el anillo metálico se suspenda en el aire. Registrar las observaciones realizadas.

RESULTADOS

a) Obtención de campos magnéticos utilizando corriente continua


Interruptor

Bobina

Anillo de Thompson

Figuras 1 y 2.- La dirección a la cual apunta la brújula es acorde a la dirección dl campo magnético generado por la corriente que pasa por el conductor

FIGURA 1 FIGURA 2

i B

i B

b) Campo magnético de un solenoide

c) Interacciones entre campos magnéticos


Figuras 3 y 4.- La dirección a la cual apunta la brújula es acorde a la dirección dl campo magnético generado por la corriente que pasa por la bobina, que es de izquierda a derecha.

+ -iB

FIGURA 3 FIGURA 4

Figuras 5 y 6.- La dirección a la cual apunta la brújula es acorde a la dirección dl campo magnético generado por la corriente que pasa por la bobina, que es de derecha a izquierda.

FIGURA 5 FIGURA 6

+- i

B

Figuras 7 y 8.- Interacción entre el imán y la bobina. El sentido del campo es hacia la izquierda. Al acercar el polo sur del imán, este se desplazaba acercándose a la bobina, y se alejaba al acercar el polo norte del imán.

+- i

B

v

FIGURA 7

d) Cálculo de la resistencia de las bobinas con diferentes núcleos, a partir de los valores medidos de tensión y corriente

Núcleo Voltaje(V)

Corriente(A)

Resistencia(Ω)

Aire 5.0 2.60 1.9Fe (yugo) 5.0 2.60 1.9

Fe 5.0 2.60 1.9

Núcleo Voltaje(V)

Corriente(A)

Resistencia(Ω)

Aire 5.0 0.36 14Fe (yugo) 5.0 0.20 25

Fe 5.0 0.10 50

e) Demostración cualitativa de la levitación magnética


FIGURA 8

- +iB

v

Tabla 1.- Valores de corriente y resistencia para la bobina expuesta a una tensión continua de 5.0 V. Los valores permanecen constantes para todos los núcleos.

Tabla 2.- Valores de corriente y resistencia para la bobina expuesta a una tensión alterna de 5.0 V. Los valores varían para cada tipo de núcleo.

Figura 9.- El anillo de Thompson levita y se mantiene oscilando en esa posición al pasar corriente por la bobina. Al desconectar el circuito, notamos que el anillo está caliente.

DISCUSIÓNTodas las actividades realizadas en esta práctica de laboratorio nos permiten tener muy en claro la estrecha relación entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas. En la primera actividad, observamos la dirección a la cual apunta el norte de la brújula cuando se pasa corriente por un conductor. Para esta actividad, se consideraron los dos posibles sentidos de corriente en el conductor, y observamos que la dirección de la aguja de la brújula era distinta en cada uno de estos dos casos. Esto se debe al hecho que el norte de la brújula apunta hacia el sentido del campo magnético generado por la corriente en el conductor, y éste varía su sentido según si la corriente va de derecha a izquierda o de izquierda a derecha. Las figuras 1 y 2 muestran el análisis correspondiente al sentido de la corriente y campo magnético para los dos casos que se tienen. Para sacar estas direcciones se empleó la regla de la mano derecha, y al comparar esta dirección encontrada con la dirección a la cual apunta la brújula, confirmamos que, como es la misma dirección, efectivamente la regla de la mano derecha nos otorga el sentido del campo magnético generador por un conductor.En la segunda actividad, el propósito era analizar el sentido en el que viene dado el campo magnético en un solenoide o bobina. A fin de saber el sentido experimentalmente, colocamos una brújula en un extremo del solenoide y observamos hacia donde apunta una vez que se pasa corriente por la bobina. Las figuras 3 y 4 nos muestran claramente hacia donde apunta el norte de la brújula y también el análisis respectivo empleando la regla de la mano derecha. Una vez más, notamos que las direcciones dadas por la brújula y la regla coinciden, por lo que el análisis ha sido bien elaborado. Nótese que para ambos casos estudiados, la aguja de la brújula no está totalmente horizontal; esto se debe a que, aunque se considere que el campo del solenoide viene dado de manera uniforme, en realidad en los extremos no es así del todo, por eso es que presenta la aguja una ligera desviación.La tercera actividad realizada buscaba analizar la interacción entre dos campos magnéticos: el del imán en forma de herradura y el generado por la bobina por la cual circula corriente. Por el sentido que va la corriente en la bobina, la dirección del campo magnético que se genera tiene el sentido que se muestra


FIGURA 9

en las figuras 7 y 8. Según el procedimiento, debíamos invertir la polaridad de la corriente y ver qué ocurre; nosotros hicimos algo equivalente al invertir la polaridad del imán en vez de la corriente. Lo que se obtuvo fue que en un caso el imán se desplazaba alejándose de la bobina y en el otro, acercándose a ella. Este comportamiento se debe justamente a que los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. Cuando el lado sur del campo generador por la bobina está junto al polo norte del imán, estos se atraen y el imán se acerca (puede hacerlo por el carrito en el que está). En cambio, al cambiar la polaridad del imán y acercar el polo sur de éste al polo sur del campo generado, ellos se repelen y el imán se aleja de la bobina.La actividad siguiente consistía en medir los valores de corriente y voltaje de la bobina conectada primero a una fuente de tensión continua y luego a una de tensión alterna, y ver cómo los valores de resistencia y corriente variaban según el núcleo de la bobina. El voltaje se fijo en los 5.0 voltios. Cuando se trabajó con tensión continua, observamos que tanto los valores de corriente y resistencia permanecieron constantes sin importar el núcleo que la bobina tuviere. Esta situación se debe a que como la tensión es constante, el campo que se genera también lo es, por lo que en una ausencia de cambio de flujo magnético la bobina ofrece una misma resistencia al paso de corriente, por no inducirse una fem en ella. En cambio, para el caso de tensión alterna, ahí si variaron los valores de corriente y resistencia. Dicho comportamiento se debe a que si la tensión es alterna, su variación provoca que el campo magnético generado no sea constante; al aparecer una variación en el flujo magnético se induce una fem en la bobina que se opone al cambio de flujo mencionado. Siendo así, el núcleo que se le ponga a la bobina intensificará o no dicha fem inducida, provocando entonces que distintas oposiciones al paso de corriente. Vemos en la Tabla 2 que la corriente es menor cuando la bobina tiene un núcleo de hierro en su interior, seguida por el núcleo de yugo y luego por el núcleo de aire. Lo que indica esto es que el campo que se genera es más intenso con el núcleo de hierro. La resistencia con este tipo de núcleo es mayor también, y es explicable ya que la bobina ofrecerá mayor oposición al cambio de flujo.La última actividad correspondía a la demostración cualitativa de la levitación magnética, empleando el anillo de Thompson. Lo que ocurre en el circuito armado es que la corriente que pasa por la bobina genera un campo magnético variable, lo cual implica una variación de flujo magnético. En el aro se induce una corriente de tal forma que se opongo a dicha variación de flujo, cuyo sentido resulta ser contrario al de la otra corriente. Por ello, la bobina y el anillo experimentan fuerzas de repulsión. Para el anillo, dicha fuerza es mayor que su peso, lo cual le permite levitar tal y como lo observamos. Cuando desconectamos el circuito y tocamos el anillo, éste estaba caliente; este calentamiento se debe básicamente a la fricción a la que se expone el anillo, ya que éste oscila y está constantemente rozando con el núcleo en el que se colocó. La función del núcleo en este caso es nada más la de intensificar los campos magnéticos para que el fenómeno sea más apreciable.

CONCLUSIONESMa. Isabel Alcívar García

Producción de Campos Magnéticos

En esta práctica de laboratorio teníamos como fin obtener campos magnéticos utilizando corriente continua y corriente alterna. Después de realizar las actividades establecidas por el experimento y analizarlas debidamente, podernos llegar a las siguientes conclusiones:

Las corrientes eléctricas y los campos magnéticos están estrechamente relacionados. Una corriente que pasa por un conductor puede generar un campo magnético.El sentido de la corriente define la dirección del campo magnético. Dicha dirección se puede hallar empleando la regla de la mano derecha.Los campos interactúan entre sí; según la dirección que tengan, los elementos que los generan se atraen o se repelen.Para tensiones continuas, una bobina ofrece una misma resistencia sin importar el núcleo que tenga. En cambio, dicho núcleo sí afectará la resistencia que ofrece y la corriente que pasa a través de ella cuando se trabaja con tensión alterna.La levitación magnética se debe a la repulsión que sienten dos elementos por los cuales circulan corrientes en sentidos opuestos, ocasionando fuerzas de repulsión entre ellos.

Los experimentos realizados fueron sencillos y muy claros en cuanto a los fenómenos que se dan a cabo referente a campos magnéticos y corrientes eléctricas, por lo que el método empleado fue apropiado para lograr los objetivos planteados en un inicio. El estudio y compresión de cómo se pueden producir campos magnéticos es importante debido a su extensa aplicación en el mundo actual, especialmente para la obtención de energía de una manera muy eficiente, rápida y económica.

BIBLIOGRAFÍAGuía de Laboratorio de Física C. ICF-Espol. Texto GuíaHewitt, Paul. Física Conceptual. 9 Edición, Editorial Pearson Educación.http://gemini.udistrital.edu.co/comunidad/grupos/maglev/11.htm


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