INDUCCIÒN ELECTROMAGNÈTICA

Transcripción

1 INDUCCIÒN ELECTROMAGNÈTICA OBJETIVO. Utilizando recursos del medio y mucha consulta y trabajo colaborativo, conocer y socializar, cómo generar corriente eléctrica usando un imán. COMPETENCIAS A DESARROLLAR Comprender y socializar el concepto de inducción electromagnética. Valorar la consulta permanente y el trabajo en equipo Estimular la creatividad y el uso de materiales del entorno para experimentar sin tener que realizar grandes inversiones económicas. Desarrollar la capacidad para encontrar relaciones permanentes entre el material estudiado o sugerido y los principios de trabajo industriales. CONCEPTOS BÀSICOS. Por la época de 1831, el inquieto Faraday (uno de los grandes inventores de la humanidad) percibió que, cuando un conductor eléctrico se desplaza en un campo magnético, se genera o se induce en el sistema una corriente eléctrica. En las motos por ejemplo, la volante es un imán y en el interior se tienen tres bobinas regularmente espaciadas; cuando el motociclista prende su móvil las bobinas comienzan a girar a gran rapidez y entonces se induce en ellas una corriente que sirve, por ejemplo, para prender la farola (gratis, no necesita batería para ello). Después de repetir y de analizar la experiencia varias veces se percibe que hay direcciones privilegiadas en las cuales no se genera corriente o algunas en las cuales se genera un máximo valor. Este fenómeno de generación de corriente eléctrica se denomina inducción electromagnética y la corriente generada se conoce como inducida. Esta experiencia fue enriquecida significativamente con los aportes de Henry y de Lenz, quienes desde lugares muy lejanos entre sí, contribuyeron a sacar la ley que lleva por nombre la ley de inducción electromagnética de Henry-Faraday y que gobierna el mundo de la inducción. La corriente inducida se genera cuando se presenta un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético; no importa cuál de los dos se mueva. Las centrales hidroeléctricas generan electricidad usando este interesante fenómeno. La fuerza del agua mueve a gran velocidad unas turbinas alrededor de las cuales se tienen poderosos imanes. Esta energía eléctrica es transportada por cables a través de las montañas y es conducida a las ciudades donde es utilizada según la necesidad específica; residencias, empresas, industrias. En el experimento a realizar se dispone de un imán y de un conductor eléctrico y será el movimiento relativo entre los dos el que genera una corriente inducida. 1

2 MATERIALES Bobina con núcleo de aire y 50 espiras. Bobina con núcleo de aire y de 100 espiras. Dos imanes de barra Cables, conectores Galvanómetro con cero en el centro Bobina de una sola espira PROCEDIMIENTO 1. Conectar la bobina de una sola espira al galvanómetro, como se ilustra en la figura. Introduzca uno de los imanes de barra a través de la bobina y comienza a generar con su mano y en el interior una movimiento armónico simple. Observe cuidadosamente la aguja del galvanómetro y anote sus observaciones. 2. Conecte las terminales del galvanómetro a la bobina de 50 espiras. Introduzca el imán dentro de la bobina y repita cuidadosamente la experiencia anterior. Registre sus observaciones y vaya sacando conclusiones. 3. Conecte las terminales del galvanómetro a la bobina de 100 espiras. Introduzca el imán dentro de la bobina y repita cuidadosamente la experiencia anterior. Registre sus observaciones y continúe sacando conclusiones. 4. Repita la experiencia anterior invirtiendo la polaridad del imán de barra y si percibe cambios anote con cuidado sus observaciones. 5. Si el diámetro del núcleo se lo permite (en caso contrario rediseñe sus 2

3 bobinas) una los dos imanes de barra (para generar un imán más fuerte) e introduzca el sistema a la bobina de 100 espiras. Observe el movimiento de la aguja del galvanómetro; ahora genere movimientos armónicos simples y a diferentes frecuencias o velocidades y analice con cuidado el movimiento de la aguja del galvanómetro. Anote una a una sus observaciones y saque conclusiones significativas del proceso. ANÀLISIS 1. Explique en lenguaje sencillo sus apreciaciones del movimiento generado en la aguja cuando el imán se introduce en la bobina de una espira: 2. Explique en lenguaje sencillo sus apreciaciones o implicaciones del movimiento generado en la aguja del galvanómetro cuando el imán se introduce en cada una de las bobinas de 50 y 100 espiras. 3. Explique en lenguaje sencillo sus apreciaciones e implicaciones del movimiento generado en la aguja cuando sistema de imanes se introduce en cada una de las bobinas y se mueve a diferentes frecuencias o velocidades: 1. Finalmente dejar el sistema de imanes en reposo y mover a diferentes velocidades cada una de las bobinas alrededor del sistema de los imanes; sacar conclusiones de los registros conservados y proponer explicaciones razonables. 2. Tratar de buscar, consultar o sugerir una explicación al fenómeno siguiente: la aguja del galvanómetro se desvía en una dirección cuando el imán se introduce en la bobina y en la dirección opuesta cuando el imán se saca. 3. Encuentre los factores que afectan directamente la F.E.M (fuerza electromotriz) generada en un sistema de inducción y explique la influencia en la generación del voltaje inducido de cada uno de ellos. 4. Construya un transformador elevador y un transformador reductor y utilizando al máximo su talento y sus consultas y con la inversión mínima (aprovechar cuantos elementos estén a su alcance y en su entorno social inmediato) alambre con laca, varilla, aislantes. Estudie su comportamiento y explique cómo funciona el principio de inducción electromagnética. EL CAPACITOR Objetivo Investigar la relación entre el flujo de carga eléctrica y el tiempo que tarda en almacenarse energía eléctrica en forma de campo en una región adecuada, un capacitor. 3

4 Objetivos específicos Realizar una gráfica que describa el comportamiento de la corriente y el voltaje en el condensador. Investigar analítica y cuantitativamente el almacenamiento de la carga en un condensador. Materiales Un capacitor de 1000F, resistencia de 10k, resistencia de 27k, voltímetro, fuente de voltaje, amperímetro CD y un cronómetro. Marco conceptual El capacitor es un dispositivo que almacena carga eléctrica. Una forma antigua de un capacitor es el recipiente de Leyden,. Los capacitores están integrados por dos placas conductoras separadas por aire u otro material aislante, conocido como dieléctrico. La capacitancia, o capacidad de un capacitor, depende de la naturaleza del material dieléctrico, el área de las placas y la distancia entre ellas. La figura uno es un diagrama del circuito de un capacitor, una batería, una resistencia, un voltímetro y un amperímetro, que no se muestra y que se conecta en serie para medir la intensidad de corriente. La resistencia es un simple dispositivo que se opone al paso de corriente eléctrica. La corriente eléctrica en un periodo se mide en unidades llamadas amperes; 1 coulomb/segundo = 1 ampere. Cuando el interruptor está abierto, como muestra la figura uno, no fluye corriente eléctrica de la batería. Sin embargo, cuando el interruptor está cerrado, la batería suministra energía eléctrica para mover las cargas positivas a una placa del capacitor y las cargas negativas a la otra. Se acumula carga en cada una de las placas del capacitor, pero no fluye corriente a través de él puesto que el centro del 4

5 capacitor es de material aislante. A medida que la carga se acumula en el capacitor, aumenta la diferencia de potencial entre las dos placas hasta alcanzar la misma diferencia de potencial que la batería. En este punto, el sistema se encuentra en equilibrio y ya no fluye más carga eléctrica al capacitor. La capacitancia se mide poniendo una cantidad específica de carga en un capacitor y midiendo después la diferencia de potencial resultante. La capacitancia, C, se encuentra por medio de la siguiente relación, donde C es la capacitancia en faradios, q es la carga en coulombios y V es la diferencia de potencial en volts. En este experimento, usted empleará un capacitor y medirá la intensidad de corriente que fluye hacia él en un periodo. Luego determinará la capacitancia del capacitor. Informe 1. Arregle el circuito como muestra la figura uno. El amperímetro, el capacitor y la batería deben conectarse en el orden adecuado. Vea las marcas + y - en los componentes del circuito. La placa positiva del capacitor debe conectarse a la terminal positiva de la batería. Si las conexiones se invierten, el capacitor puede dañarse. Las resistencias no tienen extremo + o +. Registre en la tabla 1 el voltaje de la batería y el valor del capacitor. 2. Con un compañero de práctica tomando el tiempo y otro leyendo y registrando los valores de corriente, encienda la fuente de poder y empiece a tomar las lecturas. En el instante que se enciende la fuente, circulará una gran corriente. Tome lectura de la corriente cada cinco segundos, el primer dato se toma 5 segundos después de encender la fuente, hasta que sea demasiado pequeña para medirla. Estime sus lecturas del amperímetro con la mayor precisión posible. Registre las lecturas en la tabla apague la fuente de poder. Empleando una pieza de cable conecte ambos extremos del capacitor para descargarlo. 4. Reemplace la resistencia de por la resistencia de 5. Repita los pasos 1 al 3 con el resistor de.registre las lecturas en la tabla Después de que se han tomado todas las lecturas, desmantele el circuito. Asegúrese de desconectar todos los cables de la fuente de poder. Tabla 1 5

6 Voltaje (V) Capacitancia Resistencia 1 Resistencia 2 Tabla 2 Resistencia 1= Voltaje en C con R1 Resistencia 1= Voltaje en C con R2 Tiempo Corriente (ma) Corriente (ma) (s)

7 describa con sus palabras Por qué la corriente inició en un valor máximo y descendió hasta cero mientras el capacitor se estaba cargando? 2. Analice los datos obtenidos con las dos resistencias. Explique la función de la resistencia en el circuito. 3. Empleando los datos de la tabla 2, dibuje dos gráficas para la corriente eléctrica como una función del tiempo. Trace una curva continua. 4. Encuentre el área entre la curva y el eje del tiempo representa la carga almacenada en el capacitor, tiempo en que se considera se ha cargado completamente. Puede realizarse mediante el dibujo de vario triángulos que aproximen el área. Note que la corriente está en ma, por lo que éstos deben convertirse a amperes utilizando 1.Tal vez deba tenerse en cuenta que Cuál es la carga eléctrica estimada para el capacitor con el resistor de y con el de? 7

8 5. Calcule la capacitancia del capacitor,, empleando el valor para la carga eléctrica de la pregunta anterior y la diferencia de potencial medida de la fuente de poder. 6. Compare el valor determinado en la pregunta anterior con el valor indicado por el fabricante y que usted anotó en la tabla 1. Los capacitores electrolíticos tienen grandes tolerancias, con frecuencia del orden del 50%, por lo que es posible que exista una considerable diferencia. Encuentre el error relativo entre los dos valores. Describa la curva de corriente eléctrica contra tiempo. Qué conclusiones y observaciones puede usted deducir de esta experiencia. Pregunta Describa cómo a un circuito RC (un circuito que incluye una resistencia y un capacitor), capaz de cargarse y descargarse a una rapidez específica y constante, podría dársele algún uso. Este sistema tiene enormes aplicaciones; consultar. NATURALEZA DEL MAGNETISMO Objetivo General Explorar la forma, dirección e interacción de los campos magnéticos. Objetivos Específicos Conocer los polos magnéticos de un imán Estudiar las líneas de campo de en un imán Estudiar el comportamiento de los imanes con otros materiales metálicos Estudiar la inducción magnética Materiales Imanes. Papel Bond. Clips. Brújula Magnética. Clavo de Hierro. Limaduras de Hierro. Repaso de conceptos. Aunque muchas sustancias poseen ligeras propiedades magnéticas, sólo el hierro, cobalto y níquel, y sus aleaciones, forman poderosos imanes permanentes. Las aleaciones de hierro se magnetizan con facilidad, lo que no sucede con las de 8

9 cobalto o níquel. Los imanes formados a partir de estas sustancias o de sus aleaciones son capaces de atraer o repeler otros imanes, tanto en su cercanía como a cierta distancia. Si un objeto contiene Fe, Co o Ni y un imán se acerca a él, el imán inducirá magnetismo en el objeto y después interactuará con él. En consecuencia, un imán puede atraer a un clavo que al principio no era un imán. El concepto de un campo de fuerza se emplea para describir la fuerza que un cuerpo ejerce sobre otro a cierta distancia. Al igual que la fuerza gravitacional y eléctrica pueden explicarse mediante los campos gravitacional y eléctrico, las fuerzas magnéticas pueden explicarse en términos del campo magnético alrededor de un imán. Una brújula es un pequeño imán que tiene la libertad de girar un eje en un plano horizontal. El extremo del imán que apunta hacia el norte recibe el nombre de polo norte (N). El extremo opuesto del imán se llama polo sur (S). La dirección de las líneas del campo magnético se define como la dirección a la cual apunta el polo norte de una brújula cuando se pone en un campo magnético. Procedimiento 1. Experimento A. Tipos de Polos Sostenga una brújula y deje que la aguja quede en reposo. Para verificar que apunta hacia el norte, coloque la brújula sobre la mesa; luego tome uno de los imanes de barra y acerque el polo norte a la brújula. El imán debe provocar la desviación de la aguja de modo que el polo sur de la misma apunte hacia el polo norte del imán. Verifique que ambos tengan la orientación polar correcta. Si el polo norte de un imán de barra atrae al polo norte de una brújula, tal vez el imán esté magnetizado de manera incorrecta. Si ambos imanes tienen la orientación correcta, proceda entonces con el experimento. 2. Experimento B. Líneas de Campo Magnético 1. Coloque el imán de barra sobre la mesa y cúbralo con una hoja de papel. Distribuya suave y uniformemente limaduras de hierro sobre el papel. Golpee ligeramente el papel con su dedo varias veces hasta que las limaduras formen un patrón de campo. Las limaduras por sí solas se han alineado con el campo magnético. 2. Dibuje el patrón de campo de las limaduras de hierro en torno al imán. 3. Experimento C. Líneas de Campo Magnético entre Polos 1. Coloque ambos imanes sobre la mesa con el polo norte de uno de ellos aproximadamente a 4 cm del polo norte del otro. Ponga el pedazo de papel sobre los imanes. Distribuya suavemente sobre él algunas limaduras de hierro. Golpee ligeramente el papel varias veces hasta que las limaduras 9

10 de hierro formen líneas definidas. Dibuje el patrón de campo de las líneas de campo magnético, mostrando la orientación polar de los dos imanes. 2. Repita el paso 1 colocando el polo S de un imán frente al polo N del otro. 4. Experimento D. Dirección de las Líneas de Campo Magnético Trace el contorno de un imán de barra sobre un papel y marque los polos norte y sur. Coloque el imán sobre el trazo. En tanto observa su dibujo, mueva lentamente la brújula de un polo al otro a lo largo de uno de los arcos de las líneas del campo magnético. Dibuje flechas que apunten en la dirección del polo norte de la brújula. Mueva la brújula a diferentes posiciones alrededor del imán y dibuje la dirección de la línea de campo magnético en cada posición. 5. Experimento E. Propiedades de la Piedra Imán 1. Acerque un imán a los clips. Registre sus observaciones. 2. Acerque una brújula al imán y muévala alrededor de él. Registre sus observaciones. 6. Experimento F. Magnetismo Inducido 1. Pruebe el magnetismo de un clavo de hierro poniéndolo en contacto con los clips. Coloque el clavo en un extremo de un imán de barra. Después acérquelo a los clips mientras se encuentra unido al imán. Anote sus observaciones. 2. Aproxime el extremo libre del clavo a su brújula. Advierta que el extremo libre se ha convertido en un polo. Verifique la polaridad del clavo y la del extremo del imán al cual se unió. Registre sus observaciones. Análisis 1. En qué puntos en el campo magnético de un imán se concentran más las líneas de campo magnético. 2. Describa las líneas de campo magnético entre dos polos iguales. 3. Describa las líneas de campo magnético entre dos polos diferentes. 4. Describa la orientación de la aguja de una brújula con respecto a los polos en el campo magnético de un imán de barra. 5. Resuma las propiedades de un imán. 6. Cuando un clavo de hierro se une a un imán, cómo es el tipo de polo en el extremo libre en comparación con el tipo de polo del extremo del imán en el cual se efectuó la unión? 7. Qué conclusiones y observaciones tiene usted sobre este laboratorio?