Universidad Tecnológica de México. MATERIA: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO.

Transcripción

1 Campus Atizapán Universidad Tecnológica de México. MATERIA: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. AREA: INGENIERÍA. CUATRIMESTRE: CUARTO. Página 1 de 11

2 PRACTICA No. 3 Campo Magnético OBJETIVO: El alumno describirá la geometría del campo magnético y la relacionará con la naturaleza de la corriente eléctrica que lo origina, mediante la representación de líneas de fuerza. El alumno verificará el principio de conservación de energía, así como las relaciones de transformación, de acuerdo a la naturaleza de los materiales y la geometría de los dispositivos. NORMAS DE SEGURIDAD. Es necesario evitar portar objetos metálicos, tales como relojes o pulseras. EQUIPO DE SEGURIDAD. Bata de algodón. INVESTIGACIÓN PREVIA 1. Cuál es la ley de Ampere? y mencione algunas de sus aplicaciones. 2. Explique qué es un campo magnético? 3. Explique en qué consiste la regla de la mano derecha? 4. Qué nos dice la ley de Faraday? Página 2 de 11

3 EQUIPO: 8 Brújulas 1 Multímetro. 1 Fuente de poder de C.D. 1 Generador de funciones 1 Bobina de Faraday. 2 cables de alimentación 2 cables banana caimán 1 cacle BNC caimán MATERIALES: 1 Cubo magnético. 1 Imanes para el demostrador de campo magnético. 1 Porción de diferentes metales pequeños (clavos, madera, tornillos, etc.). 1 Barra de acero dulce. 1 Resistencia de 100 ohms a 2w. 1 Placa de Vidrio 1 Porción de limadura de hierro Página 3 de 11

4 MARCO TEORICO: Conceptos Necesarios. 1. Ley de Ampere 2. Líneas de inducción magnética 3. Intensidad y densidad de campo magnético 4. Ley de Biot-Savart 5. Inducción y permeabilidad magnética 6. Regla de la mano derecha Si un imán de barra se suspende de su punto medio y puede balancearse libremente en un plano horizontal, girará hasta que su polo norte apunte al Polo Norte geográfico de la Tierra y su polo sur apunte hacia el Polo Sur geográfico terrestre. Este fenómeno describe el funcionamiento de una brújula simple. Muchos historiadores de la ciencia creen que la brújula se utilizo en China por primera vez en el siglo XIII a.c. y que su invención es de origen árabe o hindú. Los antiguos griegos tenían conocimiento del magnetismo desde el año 800 a.c. Descubrieron que la magnetita (Fe3O4) atrae pedazos de hierro. En 1269 el francés, Pierre de Maricourt trazó las direcciones que seguía una aguja colocada en diversos puntos sobre la superficie de un imán natural esférico. Encontró que las direcciones formaban líneas que encerraban en un círculo a la esfera y que pasaban por dos puntos diametralmente opuestos uno del otro, a los cuales llamó polos del imán. Experimentos subsecuentes mostraron que todo imán, sin importar su forma, tiene dos polos, llamados Norte y Sur, los cuales ejercen fuerzas sobre otros polos magnéticos de manera similar a las fuerzas que ejercen entre sí las cargas eléctricas. Es decir, Polos iguales se repelen entre sí y polos diferentes se atraen uno al otro. En 1600 William Gilbert ( ) amplió los experimentos de Maricourt a una diversidad de materiales. A partir de que la aguja de una brújula se orienta en direcciones preferidas, sugirió que la propia Tierra es un gran imán permanente. En 1750 los investigadores emplearon una balanza de torsión para demostrar que los polos magnéticos ejercen fuerzas atractivas o repulsivas entre sí y que estas fuerzas varían con el cuadrado inverso de la distancia entre los polos que interactúan. La relación entre magnetismo y electricidad fue descubierta en 1819 cuando, durante una conferencia demostrativa, el científico danés Hans Christian Oersted encontró que una corriente eléctrica en un alambre desviaba la aguja de una brújula cercana. El experimento consiste en colocar varias brújulas en un plano horizontal cerca de un largo alambre vertical. Cuando no circula corriente eléctrica a través del alambre, todas las agujas de las brújulas apuntan en la misma dirección, la del campo magnético de la Tierra, como se esperaría. Cuando se hace circular una intensa corriente estable, todas la agujas se desvían en dirección tangente al alambre. Estas observaciones llevaron al establecimiento de la regla de la mano derecha para determinar la dirección del campo magnético Las líneas de campo magnético son círculos concéntricos con el alambre y están en un plano perpendicular al alambre. Una regla conveniente para determinar la dirección del campo magnético es la regla de la mano derecha: si se toma el alambre con la mano derecha con pulgar apuntando en el sentido de la corriente, los otros cuatro dedos dan vuelta en dirección del campo magnético. Página 4 de 11

5 Poco después Jean Baptiste Biot y Felix Savart informaron que un conductor que conduce corriente estable ejercía una fuerza sobre un imán. A partir de sus resultados experimentales, Biot y Savart llegaron a una expresión que brinda el campo magnético en algún punto en el espacio en términos de la corriente que produce el campo. Andre Ampère ( ) formulo leyes cuantitativas para calcular la fuerza magnética ejercida sobre un conductor por otro conductor eléctrico que porta corriente. También sugirió que, a nivel atómico las espiras de corriente eléctrica son responsables de todos los fenómenos magnéticos. En la década de 1820 Michael Faraday ( ) demostró conexiones adicionales entre la electricidad y el magnetismo, y lo mismo hizo Joseph Henry ( ) por su lado. Los dos demostraron que una corriente eléctrica puede inducirse en un circuito, mediante un campo magnético variable, ya sea moviendo un imán cerca del circuito o cambiando la corriente en otro circuito cercano. Los resultados de estos experimentos llevaron a la Ley de Inducción de Faraday. Esta ley señala que la magnitud de la fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a la tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético a través del circuito. Años después un trabajo teórico de Maxwell mostró que lo inverso también es cierto: Un campo eléctrico variable origina un campo magnético. Los generadores, motores y transformadores son dispositivos importantes que funcionan a partir del principio de la inducción electromagnética. Página 5 de 11

6 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. EXPERIMENTO 1. CONFIGURACIONES DE CAMPO MAGNETICO. 1. Agite el cubo magnético e introduzca un imán, explique lo que observe. Anexe su diagrama al reporte de la práctica. 2. Repita el experimento, pero ahora introduzca dos imanes en diferentes formas (no permita que se unan los imanes), anexe su diagrama de lo observado. 3. Con las 8 brújulas proporcionadas determine el sentido de las líneas de campo magnético del imán. Anote sus observaciones, de los pasos anteriores: Página 6 de 11

7 EXPERIMENTO II. INDUCCION MAGNÉTICA. Para verificar inducción magnética. Sigue los siguientes pasos: 1. Coloca limadura de hierro sobre la placa de vidrio. 2. Aproxima una barra de hierro a la limadura. Después aleja la barra. 3. Aproxima nuevamente la barra de hierro dulce, pero con un imán en el otro extremo. Enseguida retira el imán. 4. Retira la barra de la limadura de hierro. 5. Repite el experimento con un cuerpo de acero (clavo, tornillo, etc.). Además explica el comportamiento del hierro dulce y del acero en este método de imantación por inducción. CONTESTE LAS SIGUIENTES PREGUNTAS. a. Al principio del experimento, la barra de hierro dulce funciona como un imán? sí o no? y por qué? b. Qué propiedades adquiere la barra de hierro dulce cuando se le aproxima un imán? c. Qué sucede cuando se retira el imán de la barra de hierro dulce? Página 7 de 11

8 EXPERIMENTO III. COMPROBACION CUALITATIVA DE LA LEY DE AMPERE. El alumno verificará la ley de ampere mediante el solenoide de la siguiente manera. Mediante la fuente de C.D. aplique 10V a la bobina (Bobina hecha con espiras de alambre delgado). Coloque 4 brújulas alrededor de la bobina de Faraday y con ayuda de estas determine los polos de la bobina. Ahora explique el sentido de la fuerza resultante a través de la regla de la mano derecha Posteriormente invierta la polaridad de la fuente, también anote sus observaciones y explique el sentido de la fuerza resultante a través de la regla de la mano derecha. Página 8 de 11

9 EXPERIMENTO IV. BOBINA DE FARADAY O DE INDUCCION. 1. Arme un dispositivo por medio de la bobina de Faraday (primaria y secundaria), fuente de poder y amperímetro. En una de las terminales de la bobina (primaria, hecha con alambre grueso) conecte uno de los cables banana caimán, en la otra terminal conecte el otro cable banana caimán en serie con un resistor de 100 ohms a 2W y en los costados de la bobina (secundaria) conecte el voltímetro. a. Aplique un voltaje de 5V. Observe el voltímetro. Qué le sucede? b. Mueva el núcleo (barra de hierro dulce). Qué observa? c. Aumenta el voltaje a 8V. Qué se observa y por qué? d. Se genera corriente inducida? e. Está usted aplicando la ley de Faraday? 2. Ahora desconecte la fuente de poder. Calibre el generador de funciones para obtener una señal senoidal de 60 hz y 500 mv. Conecte el cable BNC caimán a la salida principal del generador y los caimanes a las terminales de la bobina primaria. En la bobina secundaria conecte el voltímetro. a. Mide el voltaje que se obtiene en la bobina secundaria sin la barra de hierro dulce y con ella. b. Cambia el voltaje a 750 mv, mide el voltaje en la bobina secundaria y observa lo que sucede en la bobina secundaria al agregar y quitar la barra. c. Repite el paso b cambiando el voltaje a 1 V. d. Regresa el voltaje del generador a 500 mv. Introduce la barra de hierro dulce. Cambia la frecuencia a 100 Hz y mide el voltaje, realiza lo mismo con 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz y 500 Hz. Página 9 de 11

10 ANÁLISIS Y PRESENTACIÓN DE RESULTADOS NOTAS PARA LOS ALUMNOS. 1. El reporte final de la práctica será en un archivo pdf y se subirá a la plataforma blackboard. Para el nombre del archivo utilizar la siguiente nomenclatura EyM_p3_ApellidosPaternos_Grupo_Ciclo, ejemplo: EyM_p3_Salas_ec04s_172.pdf 2. Las prácticas impresas sólo sirven de guía y referencia. CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE. Página 10 de 11

11 RECURSOS BIBLIOGRÁFICOS. Serway, Raymond A. Electricidad y Magnetismo. Mexico, Mc Graw-Hill, Sears, Francis W./ Zemansky, Mark W. Física Universitaria. México, Adison Wesley Longman, Cheng, David K. Fundamentos de Electromagnetismo para Ingeniería. Mexico, Addison Wesley Longman, Resnick, Robert/Halliday, David. Física, Volumen 2. México, CECSA, Página 11 de 11