d m φ dt ξ = Por otro lado, por definición, la fem es la integral del campo a lo largo de una trayectoria C, o trayectoria cerrada

Transcripción

1 Tema: Inducción magnética. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Asignatura: Teoría Electromagnética. I. Objetivos. Comprender acerca de la relación del voltaje inducido en una bobina, en función del número de vueltas y la sección transversal. Observar experimentalmente las fuerzas ejercidas por la presencia de un campo magnético. Observar la deflexión en una bobina en función de la corriente aplicada. Medir la tensión inducida en un arreglo de bobinas en función de la corriente aplicada y el número de vueltas. II. Introducción. Ley de Faraday. En 1831 descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética. El observó que la variación del flujo magnético a través de la superficie encerrada por una espira cerrada, conduce a la aparición en ella de una corriente eléctrica. Los experimentos de Faraday demostraron que la corriente de inducción (o la fem de inducción) no depende en absoluto del método por el cual varía el flujo del campo magnético. Se puede variar el campo magnético exterior, manteniendo la espira inmóvil (desplazando la fuente de campo magnético) o se puede mantener el campo magnético constante y hacer desplazar la espira o deformarla. En cualquiera de los casos la fem inducida resulta directamente proporcional a la velocidad de variación del campo magnético (precisamente esta es la Ley de Faraday), y la dirección de la corriente se determina con la Ley de Lenz. Tenemos que experimentalmente se observa que la fem inducida es igual a la variación del flujo magnético ξ = Por otro lado, por definición, la fem es la integral del campo a lo largo de una trayectoria C, o trayectoria cerrada d m φ dt ξ = E r dl Como dv= -E.dl (el cambio de signo es debido a la dirección de la fem) y combinando las dos expresiones: dφm ξ = E r dl = C dt expresión que define la ley de Faraday. C Ley de Lenz. La corriente de inducción siempre posee una dirección tal, que su campo magnético se opone o compensa la variación del flujo magnético del campo que dio origen a esta corriente. Otra forma de enunciar esta ley es: La fem inducida y la corriente inducida tienen sentidos tales que tienden a oponerse a la variación del campo que las produce. De ahí el signo menos de la ley de Faraday. GUÍA 4 Pág. Pág. 1

2 III. Equipo y recursos. No. Descripción Cantida 1 Fuente bipolar Lucas Nülle 2 2 Tarjeta de Experimentación EB Bobina Rectangular L2 1 4 Bobina Circular L3 1 5 Brújula 1 6 Cables de interconexión (1 juego) X 7 Soporte para bobina 1 8 Escala graduada 2 9 Imanes permanentes 2 10 Amplificador de aislamiento Fuente de voltaje Vdc variable (250V/2A) 1 12 Bobinas de 2.2mH (N=250, Imax= 5A) 2 13 Cables de conexión X 14 Fuente de Vac variable 1 15 Interruptor de 4 polos 1 16 Medidor de corriente 1 17 Medidor del valor efectivo RMS 1 18 Regla milimetrada / Cinta métrica 1 IV. Procedimiento. Parte I. Campo magnético de una espira. 1. Identifique la fuente de suministro y las polaridades de sus terminales, así como también identifique los bornes respectivos de la tarjeta EB Arme el circuito de la figura 1, utilizando primeramente la bobina rectangular L2. Coloque un amperímetro para corriente Idc, en serie con la bobina, tal como se indica en la figura. 3. Gire en sentido antihorario hasta el tope, el potenciómetro P1. Energice después la tarjeta mediante la fuente de voltaje Vdc. 4. Luego ajuste el potenciómetro RV1 hasta obtener una corriente de 0A indicada en el amperímetro. La idea es ajustar la corriente a través de la bobina hasta obtener 0A. 5. Con ayuda del potenciómetro P1, ajuste la comente a través de la bobina hasta obtener un valor de 200mA. 6. Coloque la brújula debajo del conductor recto, dibuje un esquema de la indicación proporcionada por la brújula. La idea es indicar el sentido de la corriente y el flujo magnético que circula a través de la bobina. GUÍA 4 Pág. Pág. 2

3 Figura Coloque la brújula ahora sobre el conductor recto y nuevamente haga un esquema de indicación de la brújula. 8. Invierta los terminales de la bobina L2 y repita los pasos 6 y Sustituya ahora la bobina recta L2 por la bobina circular L3. Coloque la bobina sobre un plano; establezca un sistema de coordenadas con el origen en el centro de la bobina, pues tendrá que posicionarla con respecto a dicho sistema. La idea es tener una referencia para analizar el campo magnético en la bobina circular. 10. Gire P1 hasta el tope, en sentido antihorario para ajustar la corriente a 0A. 11. Cierre SW1 y ajuste la corriente de salida en hasta obtener un valor de 200mA. 12. Coloque la brújula en la parte superior e inferior, a la izquierda y a la derecha de la bobina. Dibuje los esquemas respectivos en cuatro posiciones diferentes (según el plano de referencia establecido). La idea es indicar el sentido de la corriente y el flujo magnético que circula a través de la bobina en los puntos indicados anteriormente. 13. Coloque la brújula en el centro de la bobina y anote en un esquema la indicación obtenida. GUÍA 4 Pág. Pág. 3

4 Parte II. Fuerza y par producido por un campo magnético. 1. Coloque la bobina circular en el soporte metálico tal como se muestra en la figura 2. Figura Ajuste la corriente de L3 a cero y coloque el soporte graduado primeramente con un imán con el polo norte indicado hacia arriba, teniendo cuidado que el indicador o pestaña roja de la bobina coincida con el cero de la escala. El objetivo es tener un valor de referencia en el cual para un valor de 0A la deflexión de la espira circular sea igual a 0mm. Consulte al respecto. 3. Mediante P1 establezca las diferentes corrientes indicadas en la tabla de datos 1, anotando las desviaciones correspondientes en mm, medidas en la escala graduada. Corriente (ma) Tabla 1. Deflexión (mm) 4. Realice el procedimiento anterior pero ahora con dos imanes (ambos con los polos norte hacia arriba). Anote los resultados en la tabla de datos 2. En esta tabla de datos se espera obtener una deflexión de aproximadamente el doble de los datos obtenidos en la tabla anterior, esto debido a que existe un campo magnético mayor. Corriente (ma) Tabla 2. Deflexión (mm) 5. Desconecte la fuente y apague todo. Luego ordene su mesa de trabajo. GUÍA 4 Pág. Pág. 4

5 Parte III. Inducción magnética entre bobinas. 1. Arme el circuito mostrado en la figura 3, utilizando el núcleo ferromagnético proporcionado y las 2 bobinas de 250 espiras. Figura Alimente el circuito con Vac, estableciendo como referencia un valor de corriente de 1.5A en la bobina de la izquierda (devanado primario). 3. Se verificará la existencia de diferencia de potencial en la otra bobina (devanado secundario), al alimentar el devanado primario con Vac. Vx= Voltios 4. Disminuya completamente el voltaje de la fuente en el devanado primario. Este paso es muy importante, ya que de no proceder de esta forma se pueden dañar las bobinas del transformador. Antes de pasar al siguiente punto consulte con el instructor al respecto. 5. Cambie la alimentación de la fuente a Vdc y regule, a partir de 0V, el valor de tensión necesario a fin de obtener de nuevo una corriente de 1.5A en el amperímetro. Recuerde que se está utilizando Vdc, y en este caso se obtendrá el mismo valor de 1.5A con un valor de voltaje menor. 6. Se verificará la existencia de diferencia de potencial en la otra bobina (devanado secundario), al alimentar el devanado primario con Vdc. Vy = Volt. 7. Explique los resultados obtenidos en los puntos anteriores. V. Análisis de Resultados. Parte Represente gráficamente el sentido de la corriente y la distribución geométrica del campo magnético para cada una de las bobinas utilizadas durante la práctica (rectangular y circular). 2. Explique el efecto del cambio de sentido de la corriente en el conductor sobre el sentido de las líneas de flujo magnético. Parte Explique cuál es el objetivo de colocar un imán permanente por debajo de la bobina. 2. Explique como se da la interacción entre el campo generado por la bobina y el campo generado en el imán permanente. Represente gráficamente este fenómeno. 3. Explique que efecto se produce al utilizar los dos imanes permanentes. GUÍA 4 Pág. Pág. 5

6 4. Explique en que afecta la disposición de los imanes permanentes, cuando estos se colocan con polos opuestos y cuando se colocan con polos iguales. 5. Presente las gráficas de la deflexión en función de la corriente, según los datos obtenidos en las tablas 1 y 2. Parte Explique las condiciones que se deben de producir en un circuito de este tipo (figura 3) para que exista voltaje inducido en la otra bobina. 2. Explique los resultados que se obtienen al establecer un valor de corriente de 1.5A en la bobina del devanado primario, tanto para Vac como para Vdc. VI. Discusión Complementaria. VII. Bibliografía. o Edminister, Joseph A. Electromagnetismo. Schaum-Mcgrawhill. o Hayt, William: Teoría Electromagnética. Mc-GrawHill, México o William H. Hayt & Jack E. Kemmerly. Análisis de Circuitos en Ingeniería, 5ta edición / 3ra edición en Español McGraw-Hill o Gourishankar. Conversión de Energía Electromecánica. Ediciones Alfaomega. GUÍA 4 Pág. Pág. 6