Electromagnetismo e inducción magnética

Transcripción

1 Electromagnetismo e inducción magnética Experiencia N o 8 La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados, pues la corriente eléctrica manifiesta un efecto magnético. El electromagnetismo abarca los fenómenos físicos que tienen que ver con el efecto de las cargas y corrientes eléctricas, y las fuerzas que resultan de estos fenómenos. En 1819, el físico y químico danés Hans Christian Oersted (1777 a 1851) descubrió que una aguja imantada se desvía por la corriente que circula a través de un alambre, con lo que fundó el electromagnetismo. En los años siguientes, aproximadamente a partir de 1822, el físico y químico británico Michael Faraday se ocupó del estudio del efecto contrario, es decir, la conversión del magnetismo en electricidad. En 1831 pudo demostrar las primeras pruebas, publicando sus trabajos bajo el concepto de "inducción electromagnética", trabajo que lo hizo famoso. CAMPO MAGNÉTICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR ELÉCTRICO Todo conductor eléctrico por el que circula una corriente genera un campo magnético. Dicho campo se origina debido a que los portadores de carga (electrones) se mueven dentro del conductor. La siguiente animación muestra el campo magnético generado por un conductor por el que fluye una corriente: Un conductor por el que circula corriente está rodeado por líneas de campo concéntricas. Para determinar el sentido de las líneas de campo se puede aplicar la llamada "regla del tornillo": Las líneas del campo magnético rodean el conductor por el que circula corriente en la misma dirección en la que habría que girar un tornillo (de rosca derecha) para apretarlo en el sentido técnico del flujo de la corriente. 1.- Experimento: Campo magnético de un conductor 1 Con una brújula se verificará el campo magnético de un conductor por el que circula corriente. Aleje el imán por lo menos 50 cm de la brújula. Anote la posición de la aguja magnética, la cual se ve determinada básicamente por el campo magnético terrestre. En la animación, pulse el botón STEP2 y complete la última conexión como se indica. De este modo, por el conductor circulará una corriente de aprox. 1 A. Cómo se comporta la aguja imantada cuando se cierra el circuito eléctrico? Anote lo observado. Qué sucede cuando la aguja de la brújula no se coloca debajo sino por encima del cable por el que circula la corriente? Anote lo observado. 12 ava edición 57

2 2.- Experimento: Campo magnético de un conductor 2 Se averiguará si es mayor el campo magnético de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente. Además, se analizará si la polaridad de la corriente ejerce alguna influencia. Modifique el arreglo anterior como se muestra a continuación: A) Juzgue la intensidad del campo magnético en el interior de un bucle conductor, comparada con la intensidad del campo en un conductor, si por ambos circula la corriente: a) En el caso del bucle conductor la deflexión de la aguja es:. b) El campo magnético del conductor sin bucle es: Permute los terminales del bucle conductor en la alimentación de corriente. Así se modifica la polaridad de la corriente. Qué efecto ejerce este cambio sobre el campo magnético? 3.- Campo magnético de una bobina En muchos equipos eléctricos y electrónicos se utilizan componentes que constan de conductores eléctricos arrollados. Estos arrollamientos se conocen como bobinas. Como todo conductor por el circula la corriente, las bobinas con corriente también presentan un campo magnético: 12 ava edición 58

3 4.- Verificación del campo magnético de una bobina Con una brújula se analizará una bobina mientras por ella circula una corriente al igual que cuando no se aplica ninguna corriente. En este caso, se determinarán ciertas propiedades magnéticas y la forma de las líneas de campo. Retire la brújula de su soporte y acérquela lentamente a la bobina. Observe la orientación de la aguja de la brújula. Complemente el arreglo experimental. La animación STEP2 muestra la manera de hacerlo. Mueva de nuevo la brújula alrededor de la bobina por la que ahora circula corriente. Observe la dirección de la corriente. Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina sin corriente? Anote lo observado Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina por la que circula corriente? Anote lo observado Observe el comportamiento de la aguja de la brújula en diferentes posiciones con respecto a la bobina por la que circula corriente. Por favor, ordene las siguientes afirmaciones: A) La aguja de la brújula se orienta? B) Las líneas de campo describen un arco? La materia en el campo magnético Intensidad de campo H y densidad de flujo B Todas las corrientes eléctricas están rodeadas por campos magnéticos. Aquí se diferencia entre dos magnitudes: La intensidad de campo H, conocida también como excitación magnética, se genera únicamente con corriente eléctrica verdadera (esto es, mensurable con el amperímetro). Caracteriza el origen del campo magnético. La densidad de flujo B es responsable de la inducción, de la fuerza de Lorentz al igual que de la atracción y repulsión de los imanes (permanentes). Por esta razón, caracteriza el efecto del campo magnético. 12 ava edición 59

4 La materia en el campo magnético Si una bobina se encuentra en el vacío (o lo suficientemente cercana al campo magnético, en la atmósfera), es válido lo siguiente: Constante de campo magnético µ o = 4 µ 10-7 Vs/Am Unidad SI de la intensidad de campo H A/m Unidad SI de la densidad de flujo magnético B T (Tesla) = Vs/m 2 B = µ 0 H Se puede comprobar con facilidad que, con igual corriente I (y, por tanto, con igual intensidad de campo H), la densidad de flujo magnético B varía si se introduce materia en el interior de una bobina. Para la descripción de este fenómeno, dependiente de la materia, se introdujo la constante de permeabilidad magnética relativa µ r : µ r = B (materia) / B (vacío) De acuerdo con la permeabilidad magnética relativa, los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales: Diamagnéticos: µ r < 1 Paramagnéticos: µ r > 1 Ferromagnéticos: µ r >> 1 µ En los dos primeros grupos, µ r se aleja de 1 de forma poco significativa. En el caso de los ferro magnetos, se da el caso contrario puesto que µ r puede alcanzar valores veces mayores. Bobina con núcleo de hierro Si se coloca un núcleo de hierro dentro de una bobina, aquél se verá magnetizado por ésta. Así se produce un electroimán: El campo magnético resultante es mucho más fuerte que el de la bobina sin núcleo de hierro. 12 ava edición 60

5 5.- Efecto del núcleo de hierro Con una brújula se analizará una bobina con núcleo de hierro, por la que circula corriente. Se compararán las propiedades magnéticas de la bobina con y sin núcleo de hierro. Qué puede afirmar acerca del comportamiento de la brújula frente a una bobina con núcleo de hierro si se realiza una comparación con lo que sucede cuando el núcleo se encuentra ausente? Efecto dinámico magnético Se verificará si una fuerza actúa sobre un imán que se introduce en una bobina. Introduzca y saque repetidamente el imán del devanado de la bobina con corriente. Qué se siente? Histéresis En los materiales ferromagnéticos no existe una relación lineal entre la densidad de flujo magnético B y la intensidad del campo magnético H. En las Imágenes muestra la curva de magnetización. Si la intensidad de campo H actúa sobre un material ferromagnético, la primera vez, éste se comporta de una manera distinta que durante magnetizaciones posteriores. Pulse el botón 1 y podrá observar la nueva curva de magnetización: (Anote lo observado) Pulse el botón 2 para observar lo que ocurre si la intensidad de campo disminuye: (Anote lo observado) Pulse el botón 3 para observar la manera en que la densidad de flujo B puede llegar a cero: (Anote lo observado) Pulse el botón 4 para observar el bucle completo de histéresis: (Anote lo observado) Materiales de magnetismo fuerte y débil La capacidad de mantener un magnetismo residual elevado o pequeño, es una propiedad de los materiales que permite diferenciarlos entre: magnéticamente fuertes y magnéticamente débiles 12 ava edición 61

6 6.- EXPERIMENTO DE REMANENCIA Se someterá un núcleo de hierro a la influencia de un campo magnético y, a continuación, se verificará su campo magnético residual. Luego se repetirá el experimento con la polaridad invertida. Con un marcador, o con material adhesivo rojo, marque un lado del núcleo de hierro. Inserte y retire repetidamente el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. El punto rojo se dirige hacia abajo. Saque el núcleo de hierro y analícelo con la aguja imantada. A) Conserva el núcleo de hierro propiedades magnéticas después de que el campo ha actuado sobre él? (Mantenga el imán permanente a suficiente distancia) (Anote lo observado) B) Cuál polo queda en el extremo marcado con el punto rojo? (Anote lo observado) Repita el experimento e introduzca y retire varias veces el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. Esta vez, el punto rojo se debe dirigir hacia arriba. Retire el núcleo y vuela a analizarlo con la aguja magnética. C) Cuál polo queda ahora en el extremo marcado con el punto rojo? (Anote lo observado) Fuerza de Lorentz Si un conductor por el que circula corriente se coloca dentro de otro campo magnético, se producirá una interacción entre ambos campos. Regla de la mano derecha Un método sencillo para determinar el sentido de la fuerza de Lorentz es la llamada regla de la mano derecha. Las magnitudes velocidad v de los electrones (contraria al sentido técnico de la corriente) inducción magnética B del campo magnético exterior fuerza F (fuerza de Lorentz)son perpendiculares entre sí. Si se conoce el sentido de dos de ellas, con la regla de la mano derecha se puede determinar el sentido de la tercera magnitud. 12 ava edición 62

7 Inducción.- En la electrotecnia se conoce como inducción a la generación de energía eléctrica en un conductor (alambre) debido a un campo magnético variable. La inducción tiene una gran importancia técnica en la producción de corriente con generadores y en los transformadores. Ley de la inducción Los procesos físicos relativos a este fenómeno se describen mediante la ley de la inducción. Una variación del flujo en el tiempo df/dt induce en un bucle conductor, que abarca la superficie A, la tensión de inducción. Si el conductor es una bobina con n vuelta, las tensiones parciales inducidas en cada arrollamiento se suman para conformar la tensión total 7.- Experimento 1 de inducción En una bobina sin núcleo se generará una tensión con el movimiento de un imán permanente. Dicha tensión se medirá con un voltímetro. Abra el instrumento virtual voltímetro A del menú de instrumentos de medición o pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes a justes: Rango: 0,5 V, DC Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio) Conecte la bobina a un voltímetro. Introduzca y retire varias veces el imán permanente del devanado de la bobina. Qué se puede observar en el voltímetro? (Anote lo observado) 8.- Experimento 2 de inducción Se variará el campo magnético sin realizar ningún movimiento, encendiendo y apagando la corriente en una "bobina de campo". Se observará la tensión inducida en una segunda bobina y se medirá esta tensión con un voltímetro. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual voltímetro y realice los siguientes ajustes: Rango: 0,5 V, DC Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio) Dos bobinas se encuentran arrolladas alrededor del núcleo de hierro. La bobina 1 está conectada al voltímetro. En la bobina 2 se conecta y desconecta una corriente. Qué se puede observar en el voltímetro? (Anote lo observado) 9.- SUGERENCIAS YCONCLUSIONES 12 ava edición 63

8 COMPROBACIÓN ANALÓGICA DE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 5. OBJETIVOS. 1. Estudiar algunos fenómenos de inducción electromagnética. 2. Determinar la relación entre corriente inducida y la variación de flujo magnético. 6. FUNDAMENTO TEÓRICO. La inducción electromagnética, es el fenómeno por el cual se produce corriente I en un conductor, debido a las variaciones del flujo magnético que la intercepta. Faraday hacia 1830 descubrió este fenómeno el cual se puede realizar por la acción de un imán o por la acción de una corriente. Disponga de una bobina para el caso de la figura 1. v N SS v v = 0 S N S N S a) aumenta b) no varía c) disminuye Figura 1 En (a) el imán se mueve hacia la bobina produciendo una corriente eléctrica, denominada corriente inducida. En (b) el imán está en reposo, entonces no hay corriente. En (c) el imán se aleja de la bobina induciendo una corriente, pero en sentido contrario al caso (a). Si movemos el imán con mayor rapidez, la corriente será más intensa. Lo anterior se explica asumiendo que cuando acercamos el polo norte del imán a la bobina, la cantidad de líneas que atraviesan la espira (flujo magnético) aumenta apareciendo una corriente inducida, la que cesa cuando detenemos el imán; es decir, la corriente dura sólo mientras hay variación de campo. 12 ava edición 64

9 LEY DE LENZ El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse mediante sus acciones electromagnéticas, a la causa que la produce. La corriente inducida I en la bobina es producida por una fuerza electromotriz (fem.) también inducida E. Por lo tanto usando la ley de Lenz podemos definir el sentido de la (fem.) inducida. Así en el ejemplo anterior al introducir el polo norte del imán. Para esto, en el extremo de la espira próximo al imán se debe formar un polo N, cuya repulsión debemos vencer realizando un trabajo que se transforma en corriente eléctrica (polo N frente al polo N). Por el contrario al sacar el imán la corriente inducida crea un campo magnético que atrae al imán, para vencer esta atracción hay que gastar trabajo que se transforma en corriente inducida de sentido contrario al anterior (polo N frente al polo S). Conociendo los polos de la bobina es posible conocer el sentido del corriente que circula sobre él. FUERZA ELECTROMOTRIZ DE LA CORRIENTE INDUCIDA Experimentalmente Faraday encontró que la fem inducida depende solamente del numero de espira de la bobina y de la velocidad con que varia el flujo magnético que la origina. E = - M dø/dt M : # de espiras dø : La variación del flujo magnético dt : tiempo en que efectúa la variación El signo negativo indica que la fem. Obtenida se opone a la variación del flujo que la origina 7. PROCEDIMIENTO PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS SOLENOIDES. Conecte el solenoide tal como indica el circuito de la figura 2, manteniendo la posición relativa del solenoide y compás. Cierre la llave y anote la dirección en el cual el polo norte de la aguja es deflactada. Anote también la dirección de la corriente alrededor de la hélice que constituye el solenoide. (Invierta el sentido de la corriente y haga las mismas anotaciones.) Figura ava edición 65

10 EL PRINCIPIO DEL ELECTROIMÁN Coloque el solenoide en dirección este-oeste del compás de modo que la aguja no esté deflactada más de 10 con respecto al eje del solenoide cuando la llave está abierta. Cierre la llave y anote la posición. Invierta la corriente y anote la posición de la aguja. Inserte ahora el tornillo de metal en el interior de la bobina. Qué observa? FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA Conecte las terminaciones de un solenoide al galvanómetro como muestra la figura 3. Examine la dirección en la cual el alambre de la bobina está arrollada. Induciendo el imán tal como se indica en la figura 3, anote la deflexión del galvanómetro, en cada caso (hacia arriba, hacia abajo y determine de qué modo en la figura fluye la corriente alrededor de la bobina, es horario o antihorario). Figura 03 Mirando de arriba hacia abajo y moviendo el imán hacia adentro, se observa una deflexión en sentido horario en el galvanómetro, produciendo lo contrario al alejar el imán. Al cambiar la rapidez del movimiento del imán se produce lo anteriormente pero con mayor intensidad. La polaridad producida en la bobina por la corriente inducida, se hallara con la regla de la mano derecha. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA ENTRE DOS CIRCUITOS Alinee dos solenoides de modo que sus ejes estén paralelos y los enrollamientos estén en la misma dirección, como se indica en la figura 4. El solenoide conectado a una pila se denomina primario o inductor y el otro es el secundario o inducido. Con la llave cerrada mover la bobina primaria hacia atrás o hacia adelante como se hizo con el imán. Si la aguja del galvanómetro se reflecta demasiado reduzca la corriente en el primario. Observe las direcciones de la corriente en el secundario y haga los diagramas similares al mostrado en cada uno de los diagramas debe indicar lo siguiente: 1) La dirección de la corriente en el primario 2) La dirección del movimiento del primario (hacia o desde el secundario) 3) La dirección de la corriente inducida en el secundario. Qué sucedería si en lugar del primario se mueve el secundario? 12 ava edición 66

11 Con la bobina primaria cerca de la secundaria, varíe la corriente en el primario bruscamente, abriendo o cerrando el circuito. Observe la amplitud relativa de la deflexión de la aguja del galvanómetro. Registre sus observaciones en dos diagramas de un amanera similar a la sugerida anteriormente mostrando en estos casos cuando la llave ha sido cerrada y cuando ha sido abierta. Figura 3 Figura CUESTIONARIO 1. Qué relación observa usted entre la conducta de un solenoide por el que pasa corriente eléctrica y un imán de una barra? 2. Mencione por lo menos dos reglas prácticas para determinar la polaridad de un solenoide que lleva corriente eléctrica 3. Qué efecto produce la inserción de una varilla metálica en el interior de una bobina que lleva una corriente eléctrica? 4. Usando la ley de Lenz, indique el sentido de la corriente eléctrica y la polaridad en el sentido de la figura 3 cuando el imán se aleja. 5. De la figura 4 con la llave cerrada y con la idea de que el flujo magnético en el secundario aumente o disminuye a medida que acerquemos o alejemos el primario, enuncie una regla practica para determinar la polaridad en el inducido. 12 ava edición 67