CENTRO DE CIENCIA BÁSICA ESCUELA DE INGENIERÍA Curso Electricidad y Magnetismo

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Jesús González Acuña
hace 6 años
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1 1 PRÁCTICA DE LABORATORIO: LEY DE INDUCCIÓN LECTROMAGNÉTICA (Ley de Faraday - Henry) 1. OBJETIVOS: Determinar la relación entre la magnitud de la fuerza electromotriz inducida (f.e.m) y las variables involucradas en la ley de inducción electromagnética de Faraday Hernry, como: Corriente en el primario I, Número de vueltas N p, ángulo (entre el vector área del secundario, el campo magnético del primario) y el área A de la bobina secundaria. Observar y cuantificar la f.e.m. inducida en una bobina localizada dentro de un campo magnético B variable producido por la circulación de corriente en un arreglo de bobinas de Helmholtz. 2. PREINFORME 2.1.Resumen de la siguiente base teórica: Conceptos de campo magnético y Flujo magnético Fenómeno de inducción electromagnética (Ley de Faraday Henry) y Ley de Lenz. Campo magnético generado por la corriente que circula en una bobina circular, a una distancia b de su centro. (ver capitulo33 y 34 del texto guía 1 ). Voltajes pico - pico, voltaje efectivo rms, intensidad de voltaje 2.2. Modelo de cálculo: Utilizando la ecuación (1), como aproximación para el campo magnético generado por una corriente eléctrica que circula a través de las bobinas de Helmholtz, encontrar las ecuaciones de trabajo, aplicando la ley de inducción electromagnética, que le permitan determinar la fuerza electromotriz inducida en función de la variación de flujo, la corriente y las condiciones físicas de las bobinas, (ver ecuación 2, para valor de ángulo () fijo). B Z 0 N i o N i Weber 3 Tesla (1) 2 2 a 5 a m d dt B A o N p N s cos 0,72 I o cost (2) a 1 Halliday David y Otros. Física Volumen 2, Edit CECA, 5ª edición

2 3. MATERIALES Y EQUIPO: Bobinas de Helmholtz Osciloscopio de 2 canales y puntas de prueba Fuente de Voltaje alterno V A.C. Brújula Juego de bobinas secundarias Reóstato Amperímetro para corriente A.

2 2 3. MATERIALES Y EQUIPO: Bobinas de Helmholtz Osciloscopio de 2 canales y puntas de prueba Fuente de Voltaje alterno V A.C. Brújula Juego de bobinas secundarias Reóstato Amperímetro para corriente A.C. Conectores 4. METODOLOGÍA: El procedimiento se divide en dos partes. En la primera se pretende verificar la influencia que los cambios en la amplitud de corriente que circula por el primario, generan en el valor del voltaje inducido en la bobina secundaria y cuyo comportamiento en el tiempo se vera en la pantalla del osciloscopio. En La segunda parte para un valor fijo de corriente a.c, se estudia la influencia de la posición angular del secundario con respecto al primario. 5. MONTAJE BÁSICO Figura 1.

3 3 Recomendaciones: Verificar que la conexión de las bobinas de Helmholtz sea en serie. Hacer rigurosamente las conexiones que se recomiendan en el diagrama eléctrico. Teniendo en cuenta el valor de la resistencia de las bobinas de Helmholtz, haga un cálculo del valor de corriente que circularía por el circuito en el momento de cerrar el interruptor, para que no trabaje con valores que perjudiquen la integridad de los equipos. El amperímetro siempre debe conectarse en serie, su profesor debe verificar todas las conexiones, antes de prender fuentes y cerrar interruptores. Usar siempre el interruptor, tratando de evitar el calentamiento exagerado de las bobinas y reostatos. Anote todos los datos que aparecen en las bobinas de Helmholtz, luego los necesitará para los cálculos. 5.2 DIAGRAMA ELÉCTRICO: Bobinas de Helmholtz Fuente de voltaje Alterno R A Figura PROCEDIMIENTO 6.1 Corriente en el primario variable y demás parámetros constantes. Haga el montaje básico que se ilustra en la figura 1 y verifique de acuerdo al diagrama eléctrico (figura 2), que las conexiones estén correctas. Escoja la bobina con sección transversal de área pequeña, y úsela como bobina secundaria, ubíquela entre las bobinas de Helmholtz, con un ángulo de cero grados. Conecte a través de la punta de prueba esta bobina al canal 1 del osciloscopio y use el canal 2 para la señal de voltaje del primario. Realice variaciones de corriente, desde 0,5 hasta 3,5 A (pero tenga siempre presente la capacidad máxima en corriente de la fuente con la que esté trabajando). Recuerde que un amperímetro da valor efectivo de corriente (rms); por tanto la amplitud de la corriente I o se debe hallar multiplicando el valor efectivo por 2. Para cada uno de los valores de corriente haga lecturas de voltaje y frecuencia en el osciloscopio y llene la tabla 1. Tenga

4 4 presente que con el osciloscopio sólo puede leer voltaje pico a pico y amplitud del voltaje V o El osciloscopio proporciona la variación en el tiempo de la fem inducida, para obtener el voltaje rms; debe anotar el valor de pico (V o ) o máximo de la senoidal y dividirlo por 2. Lo puede verificar usando el voltímetro el cual brinda directamente el voltaje rms. Repita todo lo anterior para otra bobina secundaria de área transversal mayor y lleve los datos a la tabla 2. El objetivo ahora es encontrar el número de espiras de una bobina 6.2 valor fijo de corriente en el primario, variación en la posición angular del secundario: Conservando el circuito anterior, fije un valor de corriente de 2 A, en el primario. Para una bobina secundaria determinada, obtenga el valor de la fuerza electromotriz para cada una de las siguientes posiciones angulares: = (0, 15, 30, 45, 60, 75, 90) grados, en sentido horario. Lleve los datos a la tabla De manera cualitativa identifique la influencia del área transversal del secundario con respecto al flujo, al menos para otros 2 valores. Haga lo mismo para ver la dependencia del número de espiras en el secundario. 7.0 INFORME: Debe presentarse en informe tipo artículo (ver formato) En los ítems 3 y 4 deben incuirse las respuestas a las siguientes preguntas según corresponda. Compare los valores de amplitud del voltaje inducido obtenido por la ecuación de trabajo y el medido con el osciloscopio. Cómo son estos valores? Promedio los voltajes inducidos experimentales y halle el error relativo porcentual en relación al valor obtenido con el modelo de cálculo, para cada valor de corriente en el primario. Analice los valores de resistencia corriente en le primario reportada por el amperímetro y la calculada aplicando la ley de Ohm. Que encuentra en esta comparación y como puede justificar los resultados hallados? Reporte el valor del número de espiras encontrado para la bobina secundaria desconocida, con su respectivo error y diga cuál fue la precisión de esta medida. Con los datos de la tabla 3, grafique la f.e.m. inducida en función del ángulo. Analice y describa sus conclusiones al respecto. Por qué se selecciona como corriente para el primario una corriente alterna?. Enuncie algunas aplicaciones del fenómeno de inducción electromagnética. Justifique por qué la conexión de las bobinas de Helmholtz debe ser en serie. TABLA 1. Voltaje inducido en el secundario en función de la corriente eléctrica en el primario

5 5 I máx de la fuente (A) = Área transversal de la bobina secundaria (m 2 ) = Número de espiras bobina del secundario Ns = Posición angular = Resistencia Eléctrica en el circuito primario Frecuencia en la Bobina primaria Frecuencia en la Bobina Secundaria BOBINA PRIMARIA BOBINA SECUNDARIA Irms (A) I O (A) Vo (v) Vrms (v) Voi (v) Vrmsi (v) Fem i (v)* ERROR RELATIVO PORCENTUAL Irms = Corriente en las bobinas de Helmholtz I O = Amplitud de la corriente en las bobinas de Helmholtz (Corriente pico) Vo = Amplitud de voltaje o voltaje pico Voi = Amplitud de voltaje inducido en el secundario Vrmsi = Voltaje efectivo inducido en el secundario (medido con el osciloscopio) F.e.m.i = Voltaje inducido obtenido por cálculos teórico (ecuación de trabajo) TABLA 2. Cálculo del número de espiras de una bobina a partir de la femi (Otra bobina secundaria) I máx de la fuente (A) = Área transversal de la bobina secundaria (m 2 ) = Número de espiras bobina del secundario Ns = Posición angular = Resistencia Eléctrica en el circuito primario BOBINA PRIMARIA BOBINA SECUNDARIA Irms (A) I O (A) Voi (v) Vrmsi (v) Ns

6 TABLA 3. Cálculo del número de espiras de una bobina a partir de la femi I máx de la fuente (A) = Área transversal del secundario (m2) = Espiras del secundario Ns = Corriente en el Primario Ip (A) = Vpp (v) Vrms (v) Fem (v)

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