FUERZA DE LORENTZ / FUERZA SOBRE UN CONDUCTOR (II)

Transcripción

1 FUERZA DE LORENTZ / FUERZA SOBRE UN CONDUCTOR (II) 1. OBJETIVO En esta práctica se pretende determinar la fuerza de Lorentz, fuerza que actúa sobre un hilo conductor situado en un campo magnético uniforme y que puede ser medida indirectamente. 2.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS Fuerza del campo magnético sobre una carga móvil. Una carga eléctrica q, moviéndose con velocidad v, en un campo magnético B, experimenta una fuerza magnética, F, denominada fuerza de Lorentz, que viene dada por la expresión: F=q(vxB)=q v B sen θ (1) Expresión que nos indica que la fuerza actúa en dirección perpendicular tanto a la velocidad de la partícula como al campo, pudiéndose deducir que F tendrá un valor mínimo cuando v sea paralelo a B (θ=nπ), y un valor máximo cuando v sea perpendicular a B (θ=(2n+1)π/2). Fuerza del campo magnético sobre un conductor En presencia de un campo magnético, un conductor de longitud que transporte una corriente de intensidad I, experimentará una fuerza cuyo valor vendrá dado por la expresión (1). q I = q = It, y teniendo en cuenta que: =v t: t F=q(vxB)=It(vxB)=I( xb) (2) La dirección y el sentido de la fuerza será la del producto vectorial x B, siendo la dirección y sentido de la del sentido convencional de la corriente que circula por el conductor. Los hilos conductores que se van a utilizar en esta experiencia constan de dos secciones verticales, en las cuales la fuerza queda anulada por el desplazamiento de cargas en dirección opuesta, y de una sección horizontal, de longitud conocida, que será la que influya en la medida de la fuerza de Lorentz

2 3.- MATERIAL UTILIZADO Sensor de Fuerza Módulo de medición de Fuerza Unidad de Medición Cobra Piezas polares Distribuidor de corriente Cinta metálica con clavijas Núcleo de hierro en U Bobinas, 900 espiras Cables de conexión Gausímetro Sonda Hall tangencial Hilos conductores de diferentes longitudes (sección horizontal): 12,5 mm (n= número de espiras=1), 25 mm (n=1), 50mm (n=1), 50 mm (n=2) = 100 mm (n=1) Fuentes de alimentación Ordenador 4.- EXPERIMENTACIÓN El dispositivo experimental utilizado es el que muestra la figura 1. Fig. 1. Dispositivo Experimental Los conductores, de diferentes longitudes, se suspenderán del sensor de fuerza colocando la sección horizontal de los mismos entre las dos piezas polares situadas sobre las bobinas, estas piezas están colocadas de tal forma que entre ellas queda un espacio de 1 cm

3 Las bobinas están conectadas entre sí y a la fuente de alimentación, que las suministra una intensidad de corriente determinada, I B. Los conductores se conectan mediante dos cables flexibles, de cinta, a un distribuidor de corriente. Del distribuidor de corriente salen también dos cables de conexión que van a otra fuente de alimentación mediante la cual se suministra una intensidad de corriente al conductor, I C. Se considera convencionalmente que la corriente fluye de la carga positiva a la negativa. El software de adquisición de datos que se va a utilizar se denomina Measure. Para iniciar dicho programa, pulsen en el icono,, que aparece en el escritorio. Para iniciar una medida seleccionen Archivo Nueva medida o el icono que aparece justo debajo de Archivo (círculo rojo). Se desplegará una pantalla idéntica a la que muestra la figura 2: Figura 2. Pantalla Inicial Al pulsar sobre el módulo de medición de Newton, N se desplegará el menú que se muestra en la figura 3, donde se indica el rango de medida en el que vamos a trabajar. Pulsen sobre Tara, para llevar el sensor a cero, y posteriormente OK y Continuar. El sensor ahora está activo y en la pantalla aparece el valor de la Fuerza en mn. Cuando no estén realizando medidas pulsen Cancelar para el buen funcionamiento del sensor. Tengan mucho cuidado en la manipulación del sensor, cuando vayan a suspender y a retirar los conductores de él

4 Figura 3. Características Módulo de Fuerza Dirección y sentido de la fuerza de Lorentz en función del sentido del campo magnético y de la Intensidad de corriente. - Realicen un ajuste del punto cero al sensor. - Suspendan uno de los cuatro conductores y asegúrense que la sección horizontal del mismo se encuentra entre las dos piezas polares. - Lean el valor de la Fuerza. Esta fuerza será debida únicamente al peso del conductor. Cuando estén realizando la lectura eviten fluctuaciones mecánicas y eléctricas, debido a la cercanía de dispositivos electrónicos ajenos al Dispositivo Experimental. - Enchufen la fuente conectada a las bobinas electromagnéticas y seleccionen un potencial de 12 V. - Enchufen la fuente conectada al conductor y seleccionen una intensidad de corriente IC, entre 2 y 4 A. Observen el sentido tanto de la fuerza F (lo podrán deducir a partir del valor de la fuerza), como de la intensidad de corriente I C (la corriente fluye de la carga positiva a la negativa), y del campo magnético B (con ayuda del gausímetro), y, dibujen un esquema donde aparezcan representadas las tres magnitudes. Comprueben lo directamente observado con alguna de las reglas que les hayan indicado en clase. Qué sucede si ahora varían la polaridad en las bobinas? - 4 -

5 Fuerza de Lorentz en función de la intensidad de corriente I C. La fuerza se determinará en función de la intensidad de corriente del conductor, I C, y del campo magnético B, para hilos conductores de diferentes longitudes. F=I C xb (3) Suspendan el conductor del sensor y realicen un ajuste del punto cero. Varíen la intensidad de corriente que circula por el conductor, I C, en un intervalo comprendido entre 0 y 5 A (tomen como mínimo 9 valores). A medida que se varia I C, el sensor nos da directamente el valor de la fuerza de Lorentz. Realicen la experiencia para los cuatro conductores y tengan en cuenta que la fuerza de Lorentz que actúa sobre un conductor de 2 espiras y 50 mm de longitud, es equivalente a la de un conductor de 1 espira y 100 mm de longitud. Representen para cada conductor F=f(I C). Realicen un ajuste por mínimos cuadrados y determinen, a partir de la pendiente, el valor del campo magnético teniendo en cuenta la expresión (3). Comparen dicho valor con el dato leído directamente con el gausímetro. Indiquen el porcentaje de error entre ambas determinaciones Fuerza de Lorentz en función de la longitud del conductor. Representen ahora la fuerza de Lorentz en función de la longitud del conductor para un valor constante de la intensidad de corriente, I C, y de la intensidad de las bobinas, I B. Realicen un ajuste por mínimos cuadrados y determinen, a partir de la pendiente, el valor del campo magnético, teniendo en cuenta la expresión (3). Comparen dicho valor con el leído directamente en el gausímetro e indiquen el porcentaje de error entre ambas determinaciones