MAGNETISMO

OBJETIVOS

Generar fuerza electromotriz utilizando campos magnéticos

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.

ABSTRACT

Electromagnetic induction is the phenomenon that causes the production of an electromotive force in a medium or body is exposed to a changing magnetic field, or moves on a constant field. Various factors influence the emf induced in a coil, such as its number of turns, your settings (if they have a ferromagnetic material inside) and its motion with respect to the magnetic field. What is this emf is induced to oppose the change of magnetic flux.

INTRODUCCIÓN

Inducción Electromagnética

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).

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.

El movimiento de un conductor de longitud L situado en un campo magnético B, hace que sobre cada electrón del conductor actúe una fuerza magnética. 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 i ya mencionada. Esta corriente circula mientras se mantiene en movimiento al conductor.

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 están dadas por la regla de la mano derecha.

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:

∮▒█(E ⃗.(dA) ⃗=q/ε_0 (Ley de Gauss para electricidad)@)

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

∮▒█(E ⃗.(dA) ⃗=dΦm/dt (Ley de Faraday)@)

∮▒█(B ⃗.(dl) ⃗=μ_0 l +μ_0 ε_0 dΦE/dt (Ley de Ampere-Maxwell)@)

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

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.

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.

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.

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:

Para cada una de las disposiciones mostradas, conectar el interruptor S y registrar los valores que marque el voltímetro.

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.

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

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 300 900 1200

ε (mV)

±∆ε=±5mV 10mV 30mV 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.

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 300 900 1200

ε (mV)

±∆ε=±5mV -10mV -30mV -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

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