LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY. Estudio de la fuerza electromotriz inducida por aplicación de la ley de Faraday.

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Ignacio Paz Ruiz
hace 7 años
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1 LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY 1. OBJETIVO Estudio de la fuerza electromotriz inducida por aplicación de la ley de Faraday. 2. DESARROLLO TEÓRICO Según la ley de Faraday, la variación del flujo magnético a través de un circuito origina una fuerza electromotriz inducida, ε, responsable de la aparición de una corriente inducida. Cuantitativamente, la fuerza electromotriz inducida depende del ritmo de cambio del flujo. No importa el número concreto de líneas de campo atravesado en el circuito, sino su variación por unidad de tiempo. dφ ε = (1) dt donde el signo negativo de la expresión es una indicación del sentido de la fuerza electromotriz inducida, fuerza que se opone a la causa que la produce. El flujo del campo magnético a través de una superficie de área S viene definido como: Φ = De las expresiones (1) y (2) se deduce: B ds (2) B ds ε = (3) dt Cuando el campo magnético toma un valor constante y es perpendicular a la superficie, la expresión anterior puede escribirse como: S ε = B (4) t En el caso de trabajar con bobinas, como lo vamos a hacer en el presente experimento, el cálculo del flujo magnético a través de una bobina será el flujo que atraviesa cada espira multiplicado por el número de espiras, N, que tenga la bobina: S ε = N B (5) t Ley de Faraday 1

Características de la Bobina: Diámetro interno: 1.9 cm, Diámetro externo: 3.

Dispositivo con dos imanes de neodimio y dos piezas planas polares Figura 2.

2 3. MATERIAL UTILIZADO 1. Banda de inducción: péndulo rígido con una bobina en uno de los extremos. Características de la Bobina: Diámetro interno: 1.9 cm, Diámetro externo: 3.1 cm, N= 200 espiras. Figura 1. - Banda de Inducción 2. Dispositivo con dos imanes de neodimio y dos piezas planas polares Figura 2. - Imán de Neodimio 3. Sensor de Voltaje Figura 3. - Sensor de Voltaje 4. Sensor de Movimiento Figura 4. - Sensor de Movimiento Ley de Faraday 2

EXPERIMENTACIÓN En la figura 6 se muestra el dispositivo experimental utilizado.

3 5. Sensor para medida de campos magnéticos Dispositivo con posibilidad de medir el campo magnético a lo largo de dos ejes perpendiculares a él. En la práctica que estamos estudiando se utilizará el sensor que se indica en la figura Figura 5. - Sensor Campo Magnético 4. EXPERIMENTACIÓN En la figura 6 se muestra el dispositivo experimental utilizado. Las piezas polares, construidas de un material de alta permeabilidad magnética como el hierro, están colocadas sobre las caras imantadas, generándose en el hueco que queda entre ambas un campo magnético relativamente uniforme, valor que puede variarse modificando la distancia entre las dos piezas polares. Inicialmente se seleccionará una distancia determinada entre las piezas, y se colocará la banda de inducción en su interior, de tal forma que cuando ésta se balancee no se golpee con las piezas polares. La banda de inducción, como puede apreciarse en la figura 1, va unida a un sensor de movimiento, que nos informará del valor del ángulo de lanzamiento en el momento de iniciarse el experimento. A su vez, a partir del sensor de campo magnético podremos conocer el valor y sentido del campo, y el sensor voltaje nos proporcionará información sobre el valor de la fuerza electromotriz inducida, generada al pasar la bobina por las piezas polares. Figura 6. - Dispositivo experimental Los sensores están conectados a puertos USB del ordenador. Para la adquisición de datos se utilizará el software DataStudio. Ley de Faraday 3

4 Inicien el programa, pulsando el icono que aparece en el escritorio. A la pregunta cómo desea usar DataStudio? Seleccione Abrir actividad y busque en Disco local C:/LABORATORIO FÍSICA II/Ley de Faraday el fichero plantilla; al abrirlo aparecerá la siguiente pantalla, que se divide en tres zonas A, B y C (figura 7). En la zona A ( Resumen de datos ), aparecen los sensores que van a ser utilizados (sensor de movimiento y sensor de voltaje). Debe verificarse que ambos están activos, en caso de no ser así aparecerá una exclamación en color amarillo al lado del mismo, deberán comunicárselo a un responsable de prácticas.. Si esto ocurre En la zona B se indican las diferentes pantallas de datos que pueden mostrarse siendo en la zona C donde se visualizan. Las pantallas que serán de utilidad en el transcurso de la práctica son: : Las pantallas de gráficos representan los datos del sensor con respecto al tiempo. : muestra las coordenadas numéricas en columnas. : muestra el valor de la fuerza en cada momento durante la ejecución del experimento. Figura 7. - Pantalla Inicial Ley de Faraday 4

5 Previamente a la realización de la toma de datos, se procederá a configurar el experimento y a establecer las condiciones de ensayo. Para ello deben entrar en y verificar que todo es correcto. Ley de Faraday 5

6 Figura 8. - Pantallas Configuración 4.1 Cálculo de la fuerza electromotriz inducida, ε. - Para la distancia a la cual han colocado las piezas polares, y antes del inicio del experimento, midan el valor del campo magnético existente. Para ello sitúen el sensor de campo, punto blanco ubicado en el lateral de la sonda, entre las piezas polares y pulsen sobre el botón INICIO del programa. Al cabo de unos segundos pulsen DETENER para finalizar la toma de datos. Seleccionen con el cursor los datos que deseen, donde el campo permanezca constante, y pulsen sobre la herramienta. En las mediciones de campo continuo se puede reconocer el sentido del campo de la siguiente manera: una indicación positiva en la lectura del indica que el campo llega a la sonda por el lado en el que se encuentra el sensor, mientras que un valor negativo indicará lo contrario. - Coloquen la bobina entre las piezas polares, procurando que quede justo a la mitad de las mismas. Pulsen sobre el botón INICIO del programa, desvíen la barra de inducción un determinado ángulo, a mayor ángulo menor error se cometerá en el cálculo de la fuerza electromotriz, y suéltenla. Detengan la toma de medidas en el momento que deseen, una vez que se haya registrado al menos media oscilación. - El gráfico que mostrará el voltaje registrado en función del tiempo será similar al de la figura 9. Ley de Faraday 6

Se puede determinar el valor de la fuerza electromotriz inducida seleccionando con el cursor los datos, por ejemplo del primer pico, y utilizando la herramienta (ver figura 9).

7 Se puede determinar el valor de la fuerza electromotriz inducida seleccionando con el cursor los datos, por ejemplo del primer pico, y utilizando la herramienta (ver figura 9). También tomarán el valor del tiempo que la bobina tarda en llegar al centro de las piezas polares, tal y como se indica en la figura 9 (se realiza la suposición de que la superficie de la bobina, de área S, se encuentra dentro de las piezas polares para un instante de tiempo, t, que se corresponde con la mitad del tiempo que la bobina invierte en atravesarlas). Para ello pueden utilizar la herramienta. - Determinen el valor de ε a partir de la expresión (5). - Repitan el experimento para otros 2 valores diferentes del campo magnético, es decir para otras distancias diferentes entre las piezas polares, lanzando siempre la banda de inducción desde la misma posición angular. Coinciden los valores calculados de la fuerza electromotriz con los leídos directamente en los gráficos? Indiquen el % de error cometido. Por qué el signo de la fuerza electromotriz del segundo pico es opuesto al del primer pico? En qué momento y porqué se hace cero la fuerza electromotriz cuando la bobina atraviesa por el interior de las piezas polares? Figura 9. - Pantalla de Reultados Ley de Faraday 7

8 2 2 π(r externo + rint erno ) N= S = = 2 d (cm) B t (s) ε (calculada) ε (leída en el gráfico) % Error 4.2 Cálculo de la fuerza electromotriz inducida, ε, variando la velocidad. Ahora se modificará el ángulo de lanzamiento de la barra de inducción y el valor del campo magnético permanecerá constante, es decir, la distancia entre las piezas polares no variará. Realicen la experiencia para 7 ángulos de lanzamiento diferentes, y determinen los valores de la fuerza electromotriz y del tiempo, de forma análoga a como se realizó en el apartado anterior. B= N= S= Ángulo de lanzamiento (grados o radianes) t (s) 1/ t (s) ε (V) Representen ε=f(1/δt) y realicen un ajuste por mínimos cuadrados para determinar B, a partir de la expresión (5). Comparen este valor así obtenido con el medido directamente utilizando el sensor de campo. Calculen el porcentaje de error cometido. Ley de Faraday 8

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