Informe 8 fisica 3

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INTRODUCCIÓN

Como se sabrá, algunos efectos magnéticos han sido conocidos desde la antigüedad, como por ejemplo el poder de atracción que sobre el hierro ejerce la magnetita, no fue sino hasta el siglo XIX cuando la relación entre la electricidad y el magnetismo quedó patente, pasando ambos campos de ser diferenciados a formar el cuerpo de lo que se conoce como electromagnetismo.

También estudiaremos sobre la inducción electromagnética que 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).

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FUNDAMENTO TEÓRICO

ELECTROMAGNETISMO: Es la parte de la electricidad que estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos. Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relación fue descubierta por casualidad.

Así, hasta esa fecha el magnetismo y la electricidad había sido tratada como fenómenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Sin embargo, esto cambió a partir del descubrimiento que realizó Hans Christian Oersted, observando que la aguja de una brújula variaba su orientación al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella. Los estudios de Oersted sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno: las fuerzas magnéticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas eléctricas en movimiento. El electromagnetismo es la base de funcionamiento de todos los motores eléctricos y generadores eléctricos.

ORIGEN DEL ELECTROMAGNETISMO: (experimento de Oersted)Esta relación entre la electricidad y el magnetismo fue descubierta por el físico danés Hans Christian Oersted. Éste observó que si colocaba un alfiler magnético que señalaba la dirección norte-sur paralela a un hilo conductor rectilíneo por el cual no circula corriente eléctrica, ésta no sufría ninguna alteración.

Sin embargo en el momento en que empezaba a pasar corriente por el conductor, el alfiler magnético se desviaba y se orientaba hacia una dirección perpendicular al hilo conductor. En cambio, si dejaba de pasar corriente por el hilo conductor, la aguja volvía a su posición inicial.

De este experimento se deduce que al pasar a una corriente eléctrica por un hilo conductor se crea un campo magnético.

CAMPO MAGNETICO CREADO POR UN CONDUCTOR ELECTRICO: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.

Un conductor por el que circula corriente está rodeado por líneas de campo concéntricas. 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

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flujo de la corriente. Para determinar la dirección y sentido del campo magnético podemos usar la llamada regla de la mano derecha.

*La regla de la mano derecha nos dice que utilizando dicha mano, y apuntando con el dedo pulgar hacia el sentido de la corriente, la curvatura del resto de dedos nos indicará el sentido del campo magnético.

En el caso de un hilo conductor rectilíneo se crea un campo magnético circular alrededor del hilo y perpendicular a él.

Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espira, el campo magnético será circular. La dirección y el sentido del campo magnético dependen del sentido de la corriente eléctrica.

Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hélice tenemos una bobina o solenoide. El campo magnético en su interior se refuerza todavía más en existir más espiras: el campo magnético de cada espira se suma a la siguiente y se concentra en la región central.

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*Espira por la cual circula una corriente, esta corriente genera un campo magnético a su alrededor.

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Una aplicación muy común de las bobinas es utilizarlas como electroimanes. Este tipo de electroimanes consiste en una bobina, por donde circula una corriente eléctrica, y un núcleo ferromagnético, colocado en el interior de la bobina. Cuando por la bobina circula una corriente eléctrica, el núcleo de hierro se convierte en un imán temporal. Cuantas más espiras tenga la bobina, mayor será su campo magnético.

INDUCCION: 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 INDUCCION:

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.

LA INDUCCION ELECTROMAGNETICA EN UNA BOBINAPara entender correctamente qué es la inducción electromagnética analizaremos una bobina (componente del circuito eléctrico en forma de espiral que almacena energía eléctrica):

Cuando el imán y la bobina están en reposo el galvanómetro no señala pasó de corriente eléctrica a través de la bobina.

Si acercamos un imán a esta bobina, observamos que el galvanómetro marca el paso de una corriente eléctrica en la bobina.

Si alejamos el imán, el galvanómetro marcará el paso de la corriente eléctrica a través de la bobina, pero de sentido contrario a cuando lo acercábamos.

Si en vez de mover el imán movemos la bobina, podemos comprobar los mismos efectos a través del galvanómetro.

De esta experiencia se puede deducir que el corriente dura mientras se realiza el movimiento del imán o de la bobina y es más intenso como más rápido se haga este movimiento. La corriente eléctrica que aparece a la bobina es la corriente inducida.

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DETALLES EXPERIMENTALES

MATERIALES:

Galvanómetro Brújula Nucleo de hierro Tarjeta Unitrain Solenoide (2) 1 iman Interruptor Reostato Batería

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

A. PRIMERA PARTE

A.1. EXPERIMENTO: CAMPO MAGNETICO DE UN CONDUCTOR 1

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.

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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.

A.2. EXPERIMENTO: CAMPO MAGNETICO DE UN CONDUCTOR 2

Se averiguará si es mayor el campo magnético de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente. Además, se analizará si la polaridad de la corriente ejerce alguna influencia.

Modifique el arreglo anterior como se muestra a continuación.

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: *En el caso del bucle conductor la deflexión de la aguja es: más fuerte. *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 corriente. ¿Qué efecto ejerce este cambio sobre el campo magnético? El campo magnético al interior del bucle conductor cambia de polaridad en un sentido horario.

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A.3. 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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A.4. VERIFICACION 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.

Monte el siguiente arreglo experimental. 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 la coloca en una nueva posición sobre la bobina.

Observe el comportamiento de la aguja de la brújula en diferentes posiciones con respecto a la bobina por la que circula corriente. Por favor, ordene las siguientes afirmaciones:

La aguja de la brújula se orienta, en sentido paralelo a las líneas de campo.

Las líneas de campo describen un arco, del polo norte al polo sur de la bobina.

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A.5. EFECTO DEL NUCLEO DE HIERRO

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.

Monte el siguiente arreglo experimental.

¿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.

A.6. EFECTO DINAMICO MAGNETICO

Se verificará si una fuerza actúa sobre un imán que se introduce en una bobina.

Monte el siguiente arreglo experimental. Introduzca y saque repetidamente el imán del devanado de la bobina con corriente.

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¿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.

A.7. HISTÉRESIS

En los materiales ferromagnéticos no existe una relación lineal entre la densidad de flujo magnético B y la intensidad del campo magnético H. En la animación, se muestra la curva de magnetización.

Si la intensidad de campo H actúa sobre un material ferromagnético, la primera vez, éste se comporta de una manera distinta que durante magnetizaciones posteriores.

Pulse el botón 1 y podrá observar la nueva curva de magnetización: La densidad de flujo B crece en una nueva curva. La intensidad de campo y la densidad de flujo empiezan en cero.

Pulse el botón 2 para observar lo que ocurre si la intensidad de campo disminuye: Después de que la intensidad de campo H disminuye a cero, sigue presente un

magnetismo residual (remanencia).

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Pulse el botón 3 para observar la manera en que la densidad de flujo B puede llegar a cero:

Pulse el botón 4 para observar el bucle completo de histéresis: Existe una simetría debido a la oscilación de la intensidad de campo H que conduce a

una nueva magnetización del material ferromagnético.

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A.8. EXPERIMENTO DE 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. 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.

¿Conserva el núcleo de hierro propiedades magnéticas después de que el campo ha actuado sobre él?

El núcleo de hierro desvía ostensiblemente la aguja imantada; por tanto, posee un campo magnético.

¿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.

Repita el experimento e introduzca y retire varias veces el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. Esta vez, el punto rojo se debe dirigir hacia arriba. Retire el núcleo y vuela a analizarlo con la aguja magnética. ¿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.

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A.9. EXPERIMENTO 1 DE INDUCCION

En una bobina sin núcleo se generará una tensión con el movimiento de un imán permanente.

Dicha tensión se medirá con un voltímetro. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual voltímetro A del menú de instrumentos de medición o pulse

sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes ajustes. 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.-Cuanto más rápido sea el movimiento, mayor será la amplitud de la tensión.

A.10. EXPERIMENTO 2 DE INDUCCION

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.

Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual voltímetro y realice los siguientes

ajustes. 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 tanta tensión negativa como positiva dependiendo del estado de conexión. -La deflexión del voltímetro es solo muy breve, y por eso la tensión vuelve a caer en cero.

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B. SEGUNDA PARTE: INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

B.1. PROPIEDADES MAGNETICAS DE LOS SOLENOIDES.

Conecte el solenoide tal como indica el circuito de la figura 2, manteniendo la posición relativa del solenoide y compás. Cierre la llave y anote la dirección en el cual el polo norte de la aguja es deflactada. Anote también la dirección de la corriente alrededor de la hélice que constituye el solenoide.

B.2. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA.

Conecte las terminaciones de un solenoide al galvanómetro como muestra la figura. Examine la dirección en la cual el alambre de la bobina está arrollado. Induciendo el imán tal como se indica en la figura, anote la deflexión del galvanómetro, en cada caso (hacia arriba, hacia abajo y determine de qué modo en la figura fluye la corriente alrededor de la bobina, es horario o antihorario).

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Mirando de arriba hacia abajo y moviendo el imán hacia adentro, se observa una deflexión en sentido horario en el galvanómetro, produciendo lo contrario al alejar el imán.

Al cambiar la rapidez del movimiento del imán se produce lo anteriormente pero con mayor intensidad. La polaridad producida en la bobina por la corriente inducida, se hallara con la regla de la mano derecha.

B.3. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA ENTRE DOS CIRCUITOS.

Alinee dos solenoides de modo que sus ejes estén paralelos y los enrollamientos estén en la misma dirección, como se indica en la figura.El solenoide conectado a una pila se denomina primario o inductor y el otro es el secundario o inducido.Con la llave cerrada mover la bobina primaria hacia atrás o hacia adelante como se hizo con el imán. Si la aguja del galvanómetro se reflecta demasiado reduzca la corriente en el primario.

Primero se comprueba si se genera campo magnético en el solenoide primario, ya que en el experimento al encender el interruptor el puntero del galvanómetro “no se movía”, por eso con un imán y una brújula acercamos al solenoide y vemos que el movimiento constante del imán genera un campo magnético haciendo que se mueva la flecha de la brújula. De esto concluimos que la corriente que genera al conectar los dos solenoides es mínima que casi no se nota el movimiento del puntero del galvanómetro. Con esto no se puede percibir la experiencia deseada.

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CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

En el experimento 3 (fuerza electromotriz inducida entre dos circuitos), debido a que la corriente es continua, no va generar una gran variación de corriente que se puede apreciar en el galvanómetro.

De la experiencia 3 se concluye que el campo magnético es mínima y por lo tanto genera una corriente electica baja.

Del experimento 2 (campo magnético de un conductor 2) corroboramos que mientras más espiras tenga la bobina, vemos que más fuerte se vuelve el campo magnético.

Observamos que el núcleo de hierro llega a comportarse como un imán temporal solo cuando reciben la influencia de otro campo magnético.

Hacer las conexiones correctas respecto a los circuitos. Plasmar adecuadamente las conexiones que se presentan en el software. No permitir el sobrecalentamiento de la fuente.

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CUESTIONARIO

I. ¿Qué relación observa usted entre la conducta de un solenoide por el que pasa corriente eléctrica y un imán de una barra?

Observamos que existen fuerzas de repulsión entre el imán y el solenoide.

II. Mencione por lo menos dos reglas prácticas para determinar la polaridad de un solenoide que lleva corriente eléctrica.

Para saber la polaridad de un solenoide con corriente se aplica la siguiente regla de la mano izquierda, llamada de manera que los dedos curvados apunten en sentido de la circulación de la corriente (sentido convencional de + a --); el pulgar extendido apuntara en el sentido del campo interno del polo sur al polo norte. Si en vez de considerar el sentido convencional se considera el real (de a +).

III. ¿Qué efecto produce la inserción de una varilla metálica en el interior de una bobina que lleva una corriente eléctrica?

Vemos que empieza a generarse un campo magnético con la inserción de la varilla.

IV. Usando la ley de Lenz, indique el sentido de la corriente eléctrica y la polaridad en el sentido de la figura 3 cuando el imán se aleja.

Vemos que el sentido de la corriente respecto a las líneas de inducción es de sentido anti horario.

V. De la figura 4 con la llave cerrada y con la idea de que el flujo magnético en el secundario aumente o disminuye a medida que acerquemos o alejemos el primario, enuncie una regla practica para determinar la polaridad en el inducido.

Podríamos usar la ley de Lenz, ya que con las líneas de inducción (y con la mano derecha) que genera el solenoide primario nos permitiría calcular la polaridad.