DEPARTAMENTO DE ENERGIA Y MECANICA CARRERA DE INGENIERIA MECATRONICA LABORATORIO N° 2 CIRCUITOS ELECTRICOS I – NRC 2989 TITULO: DEMOSTRACIÓN DE LAS LEYES DE MAXWELL MEDIANTE UN EXPERIMENTO CASERO AUTOR: CANGUI LAICA, RICHAR SANTIAGO DIRECTOR: ING. MENA, PABLO LATACUNGA
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Figura 1: James Clerk Maxwell.......................................................................8Figura 2: Clark Friedrich Gauss....................................................................11Figura 3: Solenoide.......................................................................................15Figura 4: Campo Magnético..........................................................................16
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RESUMEN
Dentro de nuestra vida cotidiana así como en el desarrollo de la carrera es
necesario conocer la aplicación de la teoría en la práctica y como esta
influye en nuestras vidas, así que en este proyecto elabora un motor de
solenoide el cual tiene como aplicación fundamental una de las ecuaciones
de Maxwell, la cual fue generalizada de la ley de Gauss de campo
magnético.
Durante está experimento analizaremos la influencia de un campo magnético
producido por una carga eléctrica en movimiento.
Además en la práctica se analizara las definiciones de campo eléctrico y
campo magnético.
PALABRAS CLAVE
Maxwell
Solenoide
Ley de Gauss
Campo Magnético
Carga Eléctrica
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ABSTRACT
In our daily life as well as the career development requires knowledge of the
application of theory in practice and how it influences our lives , so this
project develops a solenoid motor which has the fundamental application of
Maxwell's equations , which was generalized Gauss 's law magnetic field .
During this experiment we analyze the influence of a magnetic field produced
by a moving electric charge .
Moreover in practice the definitions of electric field and magnetic field will be
analyzed .
KEYWORDS
Maxwell
solenoid
Gauss' law
Magnetic field
Electric charge
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GLOSARIO DE TÉRMINOS
Maxwell Matemático escoces que planteo las cuatro ecuaciones
fundamentales del electromagnetismo.
Solenoide Cualquier dispositivo capaz de crear un campo
magnético sumamente uniforme.
Leyes de Gauss Leyes formuladas por Gauss para definir un campo
eléctrico y un campo magnético en superficies cerradas.
Campo Magnético Descripción matemática de las influencias de las
corrientes eléctricas.
Carga eléctrica Propiedad física intrínseca de algunas partículas
subatómicas.
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CAPITULO I
GENERALIDADES
1. INTRODUCCIÓN
En esta práctica de laboratorio se elaboró un motor de solenoide para
demostrar una de las ecuaciones de Maxwell, la misma que se deriva de las
leyes de Gauss para el magnetismo.
En este capítulo se presentan los objetivos, hipótesis y el alcance que tendrá
el trabajo a lo largo del desarrollo del mismo.
2. TÍTULO
Demostración de las ecuaciones de Maxwell mediante un experimento
casero.
3. PROBLEMA
Demostrar la aplicación práctica de una o más ecuaciones de Maxwell con
un experimento casero.
4. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
Es necesario como futuros profesionales en mecatrónica conocer la
aplicación de la teoría en la realidad, y de esa manera tener conocimiento de
una manera práctica el funcionamiento de un aparato y las ecuaciones
matemáticas que dominan para su funcionamiento.
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5. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Construir un motor de solenoide, mediante la utilización de materiales
reciclables para demostrar la ecuación de Maxwell para el campo magnético.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Investigar la teoría del campo magnético.
- Buscar los materiales óptimos para la construcción del motor de
solenoide.
- Identificar y analizar la aplicación de dicha ecuación con el
funcionamiento del motor de solenoide.
6. HIPÓTESIS:
La construcción de un motor de solenoide ayudara al estudiante a
comprender de mejor manera la ley de Gauss para el campo magnético.
7. ALCANCE:
Que el estudiante conozca de una manera práctica las ecuaciones de
Maxwell.
Al culminar este laboratorio el estudiante será capaz de identificar las
ecuaciones de Maxwell aplicados a la realidad y mas no valores
matemáticos.
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CAPITULO II
1. INTRODUCCIÓN
En una carrera de ingeniería es muy importante conocer la aplicación de las
ecuaciones de Maxwell mediante un experimento casero, ya que de esta
manera se lograra reconocer con mayor facilidad la diferencia entre estas
ecuaciones y el gran aporte brindado por ellas a la evolución tecnológica
actual.
2. HISTORIA DEL ARTE
2.1 JAMES CLERK MAXWELL
(Edimburgo, 1831-Glenlair, Reino Unido, 1879) Físico británico. Nació en el
seno de una familia escocesa de la clase media, hijo único de un abogado
de Edimburgo. Tras la temprana muerte de su madre a causa de un cáncer
abdominal -la misma dolencia que pondría fin a su vida-, recibió la educación
básica en la Edimburg Academy, bajo la tutela de su tía Jane Cay.
Figura 1: James Clerk Maxwell
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Con tan sólo dieciséis años ingresó en la Universidad de Edimburgo, y en
1850 pasó a la Universidad de Cambridge, donde deslumbró a todos con su
extraordinaria capacidad para resolver problemas relacionados con la física.
Cuatro años más tarde se graduó en esta universidad, pero el deterioro de la
salud de su padre le obligó a regresar a Escocia y renunciar a una plaza en
el prestigioso Trinity College de Cambridge.
En 1856, poco después de la muerte de su padre, fue nombrado profesor de
filosofía natural en el Marischal College de Aberdeen. Dos años más tarde
se casó con Katherine Mary Dewar, hija del director del Marischal College.
En 1860, tras abandonar la recién instituida Universidad de Aberdeen,
obtuvo el puesto de profesor de filosofía natural en el King's College de
Londres.
En esta época inició la etapa más fructífera de su carrera, e ingresó en la
Royal Society (1861). En 1871 fue nombrado director del Cavendish
Laboratory. Publicó dos artículos, clásicos dentro del estudio del
electromagnetismo, y desarrolló una destacable labor tanto teórica como
experimental en termodinámica; las relaciones de igualdad entre las distintas
derivadas parciales de las funciones termodinámicas, denominadas
relaciones de Maxwell, están presentes de ordinario en cualquier libro de
texto de la especialidad.
Sin embargo, son sus aportaciones al campo del elecromagnetismo las que
lo sitúan entre los grandes científicos de la historia. En el prefacio de su
obra Treatise on Electricity and Magnetism (1873) declaró que su principal
tarea consistía en justificar matemáticamente conceptos físicos descritos
hasta ese momento de forma únicamente cualitativa, como las leyes de la
inducción electromagnética y de los campos de fuerza, enunciadas
por Michael Faraday.
Con este objeto, Maxwell introdujo el concepto de onda electromagnética,
que permite una descripción matemática adecuada de la interacción entre
electricidad y magnetismo mediante sus célebres ecuaciones que describen
y cuantifican los campos de fuerzas. Su teoría sugirió la posibilidad de
Durante el desarrollo de este capítulo podemos encontrar detalladamente los
procedimientos necesarios para la construcción de un motor de solenoide
casero, así también una lista con los materiales de construcción y los
instrumentos necesarios para la elaboración.
2. MATERIALES
MATERIALES CARACTERÍSTICAS GRAFICO
Madera
Una base que servirá
de empotramiento
para el motor.
Alambre de
cobre
Alambre de cobre de
calibre 12 para la
estructura del motor
Un mango de
esfero
Servirá para el
montaje y el
embobinado.
Alambre
magneto
calibre 27
Alambre magneto
esmaltado para
embobinar
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Clavo Clavo de 5 cm de
longitud
Pequeños
trozos de
madera
Ayuda a sujetar los
elementos
Un ventilador Se lo puede construir
manualmente o
extraer uno de un
CPU dañado.
Lata de
aluminio
De refresco o cerveza
Alambre de
cobre
Alambre de timbre
para las conexiones
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Batería Fuente de 9 voltios
Alicates Grande y pequeño
Silicón en
barra
Unir los elementos
Construcción
Elaboración de un motor de solenoide
Procedimiento
1. Cortar la base de la madera con dimensiones de 15 cm por 20 cm.
2. Pelar el alambre de cobre calibre 12 con cuidado de manera que unas
partes de la cubierta queden intactas.
3. Doblar el alambre de cobre de tal manera que se parezca a la
siguiente imagen:
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4. Con el sobrante del alambre de cobre formar dos bases y unir todo a
la tabla.
5. Con un pedazo de alambre generar una base como se muestra en la
figura.
Esto será lo que permita generar el movimiento
6. Tomar el clavo y medir 5 cm y recortarlo.
7. Con la carcasa del esfero medir el clavo en su interior y recortar a una
distancia en la cual el clavo no se salga de su interior.
8. Embobinar la carcasa de esfero, se embobinara dando 540 vueltas
con el alambre magneto calibre 27.
9. Pegar todo a la base utilizando silicón.
10. Recortar una pequeña lamina de la lata de aluminio.
11. En la otra pestaña del eje colocar la lámina de aluminio de manera
que esta toque el eje.
12. En un lado del eje pegar el ventilador.
13. Conectar un lado de la base con un lado del alambre magneto y el
cable de la lámina de aluminio con el otro lado del alambre magneto.
14. Unir estas conexiones a una batería de 9 Voltios.
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ANÁLISIS DEL EXPERIMENTO
Las cargas en movimiento suministradas por la batería al chocar el eje con la
lámina de aluminio generan un campo magnético el cual repele al clavo
generando un movimiento hacia adelante y por la acción de la fuerza
centrífuga del ventilador el eje rota, de tal manera que la lámina de aluminio
dota nuevamente de cargas al embobinado así generando un campo
magnético y se repite de nuevo el ciclo.
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CAPÍTULO IV
1. CONCLUSIONES:
Un campo magnético es generado por las cargas en movimiento, es
por eso que cuando no hay cargas en movimiento el campo magnético es
nulo, de igual manera lo planteo Gauss en su ley para los campos
magnéticos en la cual dice que el flujo magnético atreves de una superficie
cerrada es igual a cero.
Los materiales óptimos para la elaboración de un motor son un
alambre de cobre que conduzca electricidad, una carcasa de esfero, cable
esmaltado para embobinado, una base de madera, pequeños trozos de
madera para sujetar la base y los elementos, un ventilador de computador,
una lámina de aluminio y herramientas básicas de construcción, la utilización
de estas ayuda a mejorar la construcción y optimizar el tiempo requerido
para la elaboración del experimento.
Un solenoide genera un campo magnético totalmente uniforme, esto
es en teoría, pero en la practica el campo magnético creado no es
sumamente uniforme pero nos ayudó a comprender la ley de Gauss para
campos magnéticos, la misma que forma parte de las ecuaciones de
Maxwell.
2. RECOMENDACIONES:
Para la construcción del motor se recomienda la utilización de las
herramientas adecuadas para optimizar el tiempo necesario para la
elaboración del experimento.
El alambre del eje necesariamente tiene que ser un alambre grueso y
sólido para que el motor tenga un mejor agarre y gire perfectamente.
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3. APORTE:
El laboratorio realizado mediante la construcción de un motor de
solenoide, el mismo que es un experimento casero, ayudo al estudiante a
comprender mejor una de las ecuaciones de maxwell, así también a
identificar en qué circunstancias ocurre este fenómeno.
4. BIBLIOGRAFÍA:
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Profesor en Línea. (s.f.). Profesor en Línea. Recuperado el 13 de Mayo de 2015, de www.profesorenlinea.cl/medio social/Circuito_ElectricoHistoria.html