FÍSICA II ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE EXPERIMENTAL Nº2. Magnetismo Corriente alterna

Transcripción

1 Objetivos: FÍSICA II ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE EXPERIMENTAL Nº Magnetismo Corriente alterna Comprobar la Ley de Faraday-Lenz (inducción electromagnética) Visualizar líneas de inducción magnéticas para distintas configuraciones de corriente. Analizar la acción de campos magnéticos sobre corrientes eléctricas. Estudiar circuitos en corriente alterna. I.- LEY DE FARADAY LENZ A.-Elementos a utilizar 1.- Una fuente de corriente continua..- Un galvanómetro. 3.- Bobinas de 45, 00,300, 800 y 100 espiras. 4.-Imanes prismáticos medianos. 5.- Una llave interruptora unipolar. 6.- Cables de conexión. 7.- Soporte Universal. 8.- Computadora (con el software DataStudio) 9.- Interfase 10.-Sensor de Voltage. B.- Experimentos a realizar Experiencia I-1: Experimento de Faraday con bobinas e imanes. a) Conectar la bobina de 45 espiras al galvanómetro. b) Acercar lentamente el polo norte (parte roja) del imán a la bobina. Observar simultáneamente la aguja del galvanómetro. Representar lo observado en el cuadro a, del informe. c) Mantener quieto el imán. Observar el galvanómetro. Representar en el cuadro b del informe. d) Retirar lentamente el imán. Observar la aguja del galvanómetro. Representar en c. Experiencia I-: Experimento de Faraday con bobinas y corriente. a) Conectar la bobina de 300 espiras a la fuente de corriente continua a través de la llave interruptora. b) Conectar la bobina de 100 espiras al galvanómetro. c) Colocar ambas bobinas con sus ejes coincidentes. d) Luego de verificar que la llave interruptora esté abierta, demandar de la fuente una tensión de 3 a 4 V. Cerrar la llave y observar simultáneamente la aguja del galvanómetro. Representar lo observado en el cuadro a, del informe. e) Dejar la llave cerrada unos segundos y observar la aguja del galvanómetro. Representar lo observado en b. f) Abrir la llave y observar simultáneamente la aguja del galvanómetro. Representar en c. 1

2 Experiencia I-3: Experimento de Faraday con bobinas e imanes, utilizando software DataStudio a) Conectar la interfase a la computadora (PC). b) Abrir el archivo correspondiente a la experiencia a realizar ( lab-induccion.ds ) c) Conectar un sensor de voltaje al Canal Analógico A de la Interfase e introducir los conectores del sensor de tensión en los bornes de la bobina de 00 espiras. Luego fijar la bobina al soporte, tal como se muestra en la Figura 1. Figura 1. d) Iniciar la captura de datos, con el fin de registrar los valores de tensión, e inmediatamente dejar caer el imán a través de la bobina con el polo norte ubicado hacia abajo. Colocar sobre la mesa una base de telgopor para amortiguar la caída del imán. Analizar la gráfica de tensión en función del tiempo obtenida. e) Repetir la captura de datos dejando caer nuevamente el imán a través de la bobina, pero con el polo sur ubicado hacia abajo. Analizar la gráfica de tensión en función del tiempo obtenida, comparar con la obtenida cuando se deja caer el imán con el polo norte hacia abajo. f) Repetir el ítem d con las bobinas de 400 y 800 espiras. g) Realizar, utilizando el programa DataStudio, un gráfico superpuesto de tensión en función del tiempo para cada una de las bobinas. Graficar el Tiempo en las abscisas y la Tensión en las bobinas (V 00, V 400, V 800 ) en el eje de las ordenadas. Al realizar las gráficas, tomar el polo norte del imán hacia abajo como referencia. Analizar la gráfica obtenida. Responder en el informe: 1) Para cada experiencia porqué hay dos picos de tensión? Es decir, porqué una porción de la gráfica es positiva y la otra es negativa?

3 ) Para cada experiencia cómo es la magnitud de la tensión del segundo pico en comparación con la magnitud de la tensión en el primer pico? Explicar la causa de lo anterior. 3) Cómo es la magnitud de la tensión máxima en la bobina con más vueltas en comparación con la tensión máxima en la bobina con menos vueltas? II- VISUALIZACIÓN DE LÍNEAS DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA A. Elementos a utilizar: 1.- Fuente de corriente continua..- Conductor recto vertical. 3.- Espira circular simple. 4.- Espiras circulares dobles 5.- Solenoide. 6.- Toroide. 7.- Limaduras de hierro. 8.- Bobinas de 300 espiras. 9.-Núcleo de hierro Brújula Cables de conexión B. Experiencias a realizar Experiencia II-1: Espectro magnético de una corriente rectilínea 1) Con la fuente de alimentación apagada (salida de CC a 1 V), conectar el conductor recto vertical a la misma. ) Espolvorear uniformemente limaduras de hierro sobre el plano de ensayo que rodea al conductor recto vertical. 3) Encender la fuente y golpear suavemente la superficie con las limaduras, para que éstas se acomoden, tal como se ve en la figura. Figura 4) Interrumpir inmediatamente la corriente y observar la disposición que tomaron las limaduras. 5) Determinar, observando el recorrido del circuito, el sentido (convencional) de circulación de corriente. 6) Aplicar la regla de la mano derecha para predecir la orientación de las líneas de campo magnético. 7) Ubicar la brújula en diferentes puntos de la superficie de ensayo, haciendo circular la corriente por períodos breves. Observar la orientación del polo norte de la brújula para determinar el sentido de las líneas de campo magnético. Comparar este resultado con el predicho en el ítem 6. 8) Permutar las conexiones de los cables en la fuente, al hacer esto se invertirá el sentido de circulación de corriente. Repetir los pasos anteriores. Experiencia II-: Espectro magnético de una espira 1) Con la fuente de alimentación apagada (salida de CC a 1 V), conectar la espira circular simple a la misma. ) Espolvorear uniformemente limaduras de hierro sobre el plano de ensayo que rodea a la espira. 3) Encender la fuente y golpear suavemente la superficie con las limaduras, para que éstas se acomoden, tal como se muestra en la figura 3. 3

4 Figura 3 4) Interrumpir inmediatamente la corriente y observar la disposición que tomaron las limaduras. 5) Determinar, observando el recorrido del circuito, el sentido (convencional) de circulación de corriente. 6) Aplicar la regla de la mano derecha para predecir la orientación de las líneas de campo magnético. 7) Ubicar la brújula en diferentes puntos de la superficie de ensayo, haciendo circular la corriente por períodos breves. Observar la orientación del polo norte de la brújula para determinar el sentido de las líneas de campo magnético. Comparar este resultado con el predicho en el ítem 6. 8) Permutar las conexiones de los cables en la fuente, al hacer esto invertirá el sentido de circulación de corriente. Repetir los pasos anteriores. 9) Representar lo observado en las hojas del Informe. Experiencia II-3: Espectro magnético de solenoides 1) Con la fuente de alimentación apagada (salida de CC a 1 V), conectar un solenoide recto a la misma. ) Espolvorear uniformemente limaduras de hierro sobre el plano de ensayo que rodea al solenoide. 3) Encender la fuente y golpear, suavemente, la superficie con las limaduras para que estas se acomoden, tal como se muestra en la figura 5 (a). 4) Interrumpir inmediatamente la corriente y observar la disposición que tomaron las limaduras. 5) Ubicar la brújula en diferentes puntos de la superficie de ensayo, haciendo circular la corriente por períodos breves. Observar la orientación del polo norte de la brújula y determinar el sentido de las líneas de campo magnético. 6) Con la fuente de alimentación apagada (salida de CC a 1 V), conectar el solenoide toroidal a la misma. 7) Repetir los ítem de (1) a (6). Ver figura 4 (b). Figura 4 (a) Figura 4(b) 4

5 III.- ACCIÓN DE CAMPOS MAGNÉTICOS SOBRE CORRIENTES ELÉCTRICAS A.- Elementos a utilizar 1.- Una fuente de corriente continua..- Un imán prismático mediano. 3.- Alambres paralelos sobre soporte conductor móvil. 4.- Llave interruptora unipolar. B.- Experiencias a realizar Experiencia III-1: Acción de campos magnéticos sobre corrientes a) Conectar los alambres paralelos y el conductor móvil a la fuente de corriente continua a través de la llave interruptora, la cual debe permanecer abierta. b) Demandar de la fuente una tensión de aproximadamente 4 V. c) Tomar el imán prismático y colocar su polo norte (color rojo) a unos mm por encima del conductor móvil. d) Cerrar y abrir la llave interruptora para aplicar un pulso de corriente. Observar en qué sentido se mueve el conductor móvil. e) Repetir (c) y (d) acercando al conductor móvil el polo sur del imán. f) Repetir (c) y (d) invirtiendo el sentido de la corriente en el conductor móvil. IV - CIRCUITO SERIE DE CORRIENTE ALTERNA. RESONANCIA SERIE Observación: Después de armar el circuito, y antes de aplicar tensión, verificar siempre que las conexiones sean las correctas, y que los instrumentos utilizados tengan sus llaves selectoras en corriente alterna y en el alcance adecuado. A. - Elementos a utilizar 1. Fuente de c.a, de aproximadamente 50 V de salida.. Una lámpara de 6 V y 50mA, utilizada como indicador visual de intensidad de corriente (opcional). 3. Un capacitor de μf. 4. Una bobina de 50 Ω de resistencia, con núcleo de alambre. 5. Una resistencia pura, de 40 Ω. 6. Un amperímetro marca Leybold, en alcance de 0,1 A. 7. Un multímetro digital. 8. Cables de conexión. B. - Experiencias a realizar Armar el circuito serie de la figura, sin colocar el núcleo de alambres en la bobina. 5

6 Experiencia IV-1: Circuito serie capacitivo a)- Conectar la fuente, encender ésta y llevar su cursor a fondo (aproximadamente 50V). b)- Leer la intensidad de la corriente del circuito. c)- Leer las d.d.p sobre: la resistencia (R), la bobina (B) y el capacitor (C), y la aplicada por la fuente (V). d)- Calcular las caídas de tensión en la resistencia (V RL ) y en la inductancia (V L ). e)- Calcular la caída de tensión resistiva total. f)- Construir el diagrama fasorial de las tensiones del circuito. (Escala 1V = 1mm) g)- Calcular el ángulo de desfasaje entre la tensión aplicada y la corriente que circula. -Cálculo de la tensión en la resistencia de la bobina (R L ) y en la inductancia (V L ). Se mide V B (caída de potencial en la bobina) con el multímetro. Se calcula V RL = IR L siendo R L =50Ω; I es la corriente en el circuito. V L V B Del diagrama anterior V B V L V RL V RL Se puede calcular, luego -Cálculo la caída de tensión resistiva total. La tensión resistiva total V V L Rtotal V V B R V V RL RL Experiencia IV-: Circuito serie inductivo a)-introducir completamente el núcleo de alambres y observar simultáneamente el comportamiento del amperímetro. Leer el valor final. b)- Leer las d.d.p en la resistencia, la bobina, el capacitor, y la tensión aplicada por la fuente. c)- Calcular la caída de tensión en la resistencia de la bobina(v RL ) y en la inductancia (V L ). d)- Calcular la caída de tensión resistiva total. e)- Construir el diagrama fasorial de las tensiones del circuito. (Escala 1V = 1mm) f)- Calcular el ángulo de defasaje entre la tensión aplicada y la corriente que circula. Experiencia IV-3: Resonancia serie RECORDEMOS: Se dice que el circuito serie R L C entra en resonancia cuando la caída de tensión inductiva es igual a la caída de tensión capacitiva. O sea: I.X L = I. X c 6

7 En este caso, la tensión aplicada es igual a la diferencia de potencial en la resistencia. Entonces el factor de potencia es igual a la unidad (φ = 0) y la corriente en el circuito es máxima, ya que la impedancia es mínima (Z = R). La frecuencia de resonancia está dada por: 1 fr Relación que nos dice que la frecuencia de resonancia depende de L y C, pero LC no de R. a)- Retirar parcialmente el núcleo de alambres hasta alcanzara resonancia en el circuito (I = Imáx). b)- Leer el amperímetro y las d.d.p en cada elemento. c)- Calcular las caídas de tensión en la resistencia de la bobina y en su inductancia. d)- Calcular la caída de tensión resistiva total. * * * * * * * * * * * * 7

8 INFORME DE PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº Nombre:... Nº de Registro:... Especialidad:. I.- LEY DE FARADAY LENZ Experiencia I-1: Experimento de Faraday con bobinas e imanes. a b c 8

9 Experiencia I-: Experimento de Faraday con bobinas y corriente a b c Experiencia I-3: Experimento de Faraday con bobinas e imanes, utilizando software DataStudio 9

10 IV - CIRCUITO SERIE DE CORRIENTE ALTERNA. 1.- Circuito Serie Capacitivo.- Circuito Serie Inductivo I I a) I =. a) I =. b) V R = V B = b) V R = V B =. V C = V =.. V C =... V =.. c) V RL =. c) V RL =.. V L = V L = d) φ = d) φ = 10

11 11