INFORME DE LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO N 6 LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY

Transcripción

1 INFORME DE LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO N 6 LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY CRISTIAN DANILO CERA MENESES RUSVEL ENRIQUE PASSOS LEYVA SERGIO ANDRES RIOBÓ PÉREZ UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE INGENIERIAS Y TECNOLÓGIAS ELECTROMAGNETISMO GRUPO 03 VALLEDUPAR 2016 II

2 INFORME DE LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO N 6 LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY CRISTIAN DANILO CERA MENESES RUSVEL ENRIQUE PASSOS LEYVA SERGIO ANDRES RIOBÓ PÉREZ TRABAJO PRESENTADO COMO REQUISITO DE EVALUACIÓN PARCIAL EN LA ASIGNATURA DE ELECTROMAGNETISMO GRUPO 03 AL PROFESOR LIC. JUAN PACHECO FERNÁNDEZ UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE INGENIERIAS Y TECNOLÓGIAS VALLEDUPAR 2016 II

3 Contenido CONCEPTOS FISICOS... 5 Ley de Faraday Ley de Lenz... 6 OBJETIVO... 7 OBJETIVOS ESPECIFICOS:... 7 MATERIALES... 8 PROCEDIMIENTO... 9 ANÁLISIS Y RESULTADOS CUESTIONARIO CONCLUSIÓN BIBLIOGRAFIA

4 INTRODUCCIÓN La inducción electromagnética 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). En esta práctica vamos a hacer una observación cualitativa de esta ley, recreando el experimento realizado por Michael Faraday para formularla.

5 CONCEPTOS FISICOS Ley de Faraday. La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde: Donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de están dadas por la regla de la mano derecha. La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo. Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley: Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo. En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en: Donde e es la fuerza electromotriz inducida y dφ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección de la fuerza electromotriz (el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz. 5

6 Ley de Lenz La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjeron. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía. La polaridad de una FEM inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por: Donde B = Intensidad de campo magnético S = Superficie del conductor α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo. Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será: En este caso la Ley de Faraday afirma que la FEM inducida en cada instante tiene por valor: El signo (-) de la expresión anterior indica que la FEM inducida se opone a la variación del flujo que la produce. Este signo corresponde a la ley de Lenz. Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año

7 OBJETIVO En esta experiencia el objetivo es comprobar que al moverse perpendicularmente un conductor en un campo magnético se obtiene como resultado una corriente inducida. OBJETIVOS ESPECIFICOS: Comprender el significado de la ley de Faraday, así como sus aplicaciones. Realizar una observación cualitativa de la ley de Faraday, recreando el experimento realizado por Michael Faraday para formularla. Verificar la relación de la Fem inducida con frecuencia de la inducción magnética. 7

8 Conductor (A) Imanes (B) Multímetro (C) Cables de conexión (D) Fuente de poder (E) MATERIALES B) C) D) E) 8

9 PROCEDIMIENTO 1. Realice el montaje indicado en la figura. Montaje a realizar en el laboratorio. 2. Mueva lentamente el imán (acercándolo y alejándolo) en dirección perpendicular a la del campo y describa lo observado en el multímetro. 3. Coloque más rápido el conductor dentro del campo y observe el multímetro. 4. Aumente la intensidad del campo magnético que acerca a la bobina y explique lo observado en el multímetro. 5. Deje el conductor en reposo dentro del campo magnético y observe el galvanómetro. Explique! 6. Mueva el conductor paralelamente a la dirección del campo magnético y observe el galvanómetro. Explique! 7. Conecte los terminales de la bobina a una fuente de corriente continua, coloque unos alfileres a unos 3cm de distancia de la bobina y aumente lentamente tanto el voltaje como la corriente que por ésta pasa. Describa lo observado! 9

10 ANÁLISIS Y RESULTADOS. 1. Se realizó el montaje mostrado en la figura. FIGURA 1: primer montaje de prueba, movimiento del imán en dirección perpendicular a la del campo 2. Al acercar y alejar lentamente en dirección perpendicular a la del campo, en el multímetro se observó que: al acercar el imán desde la parte negativa (Azul), marcaba positivo (como se muestra en la figura) y al alejarlo daba negativo. FIGURA 2: resultados de mover el imán (acercándolo y alejándolo) en dirección perpendicular a la del campo del multímetro. 10

11 Al acercar el imán desde la parte positiva (roja), marcaba negativo, y al alejarlo marca positivo 3. Al acercar y alejar más rápidamente el imán al conductor, se notó que hubo una mayor variación en los valores arrojados por el multímetro; de esta forma: positivo-negativo-positivo-negativo- 4. Al aumentar la intensidad del campo magnético se observa el incremento de la corriente dentro de la bobina utilizando el multímetro. 5. Al dejar el conductor en reposo dentro del campo magnético, el multímetro se quedó en cero, esto es debido a que el flujo magnético depende de la fuerza electromotriz, intensidad del campo magnético y la velocidad del imán. 6. Al mover el conductor paralelamente a la dirección del campo magnético (ver figura) se obtuvieron los siguientes resultados: Cuando la parte negativa (azul) del imán se encontraba arriba y al acercarle el conductor, el multímetro arrojó un valor negativo, mientras que al alejarlo dio positivo. FIGURA 3: Montaje donde se mueve paralelamente el conductor y el imán. Cuando la parte positiva (roja) del imán se encontraba arriba y al acercarle el conductor, el multímetro arrojó un valor positivo y al alejarlo arrojó un valor negativo, tal como lo indica la figura. 11

12 FIGURA 4: Montaje donde se muestra el valor de multímetro arrojado al acercarle paralelamente el conductor al imán Al conectar los terminales de la bobina a una fuente de corriente continua, colocarle 3 alfileres a aproximadamente 3cm de distancia de la bobina (como se muestra en la figura) y, posteriormente ir aumentando la intensidad y el voltaje, obtuvimos los siguientes resultados: FIGURA 5: Fotografía donde se muestran los 3 alfileres a aproximadamente 3cm de distancia de la bobina. NOTA: Proceso en donde se muestra el aumento de intensidad y voltaje. 12

13 FIGURA 6: A los 5 voltios, se adhirió un alfiler en la intensidad I= 0,1 FIGURA 7: 2 alfileres aderidos al iman debido al campo producido. A los 10 Voltios con intensidad I= 0,3 se pegaron los 2 alfileres restantes, tal como se muestra en la figura. 13

14 CUESTIONARIO. 1. Explique por qué se produce corriente eléctrica al mover el conductor de un campo magnético perpendicular a él. RTA: El surgimiento de la corriente inducida en un circuito está siempre relacionado con la variación de flujo magnético a través de ese circuito. Al alejar el imán, el flujo magnético a través de la bobina disminuye, y esta variación de flujo hace aparecer una corriente inducida. Al acercar el imán a la bobina, el flujo a través de ella aumenta y la corriente inducida aparece en sentido contrario a la situación anterior. 2. Por qué cuando la espira esta quieta o se mueve en la dirección del campo magnético, no se presenta corriente eléctrica inducida? RTA: A pesar de existir un flujo magnético a través de la bobina, dicho flujo no está variando (el imán está parado). Por tanto, no hay corriente inducida en las espiras. 3. Qué sucede al aumentar la velocidad con que se mueve el conductor en un campo magnético perpendicular a él? RTA: Si la partícula se mueve paralela o antiparalelamente al campo magnético la fuerza ejercida sobre esta es cero y es máxima si la partícula entra perpendicular a él. En general, si el vector velocidad forma un ángulo con el campo magnético, la componente perpendicular de la velocidad es la responsable de la fuerza magnética (ver figura). Por lo tanto en magnitud la fuerza magnética se puede escribir como (4) Ángulo del vector velocidad con el campo magnético. 4. Qué sucede cuando se aumenta la densidad del campo magnético? 14

15 RTA: Al aumentar la densidad del campo magnético se genera más corriente y flujo magnético. 5. Explique el significado físico del signo menos (-) que aparece en el multímetro. RTA: El signo (-) indica que la FEM inducida es de un sentido tal que se opone a la variación del flujo magnético que la produce. La fuerza contra electromotriz tiene un sentido tal que la corriente que produce crea un campo magnético opuesto al que atraviesa la bobina para tratar de mantenerlo constante. 6. Qué sucederá si cambiamos la polaridad de la corriente que pasa por la bobina? Explica! RTA: lo que sucede cuando la polaridad de la corriente es invertida, es que se invierten también las líneas de fuerza, dirigiéndose en sentido contrario. La polaridad de la fem inducida es tal que esta produce una corriente cuyo campo magnético se opone al cambio que lo produjo. El campo magnético inducido en el interior actúa para mantener el flujo magnético. Si cambiamos esta polaridad en la corriente que pasa por la bobina, se va generar un campo magnético que va a desestabilizar este efecto. 7. Explica la importancia que tuvo la inducción electromagnética en el desarrollo físico y tecnológico de la humanidad. RTA: El vertiginoso avance que tuvo y que tiene aún el electromagnetismo en el mundo actual. Se manifiesta de muy diversas maneras en el ámbito social, económico, político y cultural. Los cuales nos muestran una diversidad de beneficios en virtud de sus aplicaciones, sin embargo, cabe resaltar que estos desarrollos también han propiciado circunstancias de riesgo para el medio ambiente y para la propia humanidad. La inducción electromagnética en el desarrollo físico y tecnológico de la humanidad se ve de manera particular en el diseño de aparatos y sistemas de información, medición que utilizan los principios electromagnéticos en la creación de nuevos materiales, un ejemplo de esto es el desarrollo de la microelectrónica (Es la aplicación de la ingeniería electrónica a componentes y circuitos de dimensiones muy pequeñas, para producir dispositivos y 15

16 equipos electrónicos de dimensiones reducidas pero altamente funcionales. El teléfono celular, el microprocesador de la CPU son ejemplos). La importancia que tuvo y que tiene El desarrollo tecnológico se observa en la simplicidad a la hora de realizar las tareas diarias (hacer la comida en horno de microondas, comunicarse por medio de celulares, Internet, etc.) Actualmente los países de primer mundo son aquellos que toman en serio su desarrollo tecnológico. Para verlo basta con observar las estadísticas. Estados Unidos y Canadá siempre han tenido un continuo estudio de sus tecnologías y por ello se han mantenido estables a nivel internacional con el paso del tiempo, este es un ejemplo claro de porque es importante el desarrollo tecnológico conseguido mediante la intervención del electromagnetismo para el correcto funcionamiento de los mismos. 16

17 CONCLUSIÓN De esta práctica de laboratorio podemos concluir que, logramos comprobar experimentalmente, que al moverse perpendicularmente un conductor en un campo magnético se obtiene como resultado una corriente inducida. Podemos afinar, que, con base a sus experimentos, Faraday hizo la Ley de electromagnetismo, conocida como la Ley de inducción, en donde menciona que la fem inducida en un circuito formado por un conductor o una bobina es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que envuelve con sus investigaciones. Hemos puesto de manifiesto cómo un campo magnético puede crearse debido al movimiento de cargas eléctricas, así mismo y de manera inversa, a través de sucesivos experimentos se puede demostrar que la acción de un campo magnético puede originar el movimiento de cargas eléctricas. Con este descubrimiento, se dio un paso fundamental en el desarrollo de la electricidad al establecer que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento. 17

18 BIBLIOGRAFIA. Consultado el 03/12/ Consultado el 03/12/ ml/15_ley_de_faraday_y_lenz.html Consultado el 04/12/