"Fuerza magnética ejercida por una corriente eléctrica I"

Transcripción

1 EXPERIMENTO IFA5 LABORATORIO DE FISICA AMBIENTAL "Fuerza magnética ejercida por una corriente eléctrica I" MATERIAL: 1 (1) FUENTE DE ALIMENTACIÓN. [ 0,30 VDC]. I máx. 5 A. 2 (1) BALANZA. [ 0,310 g]. D m= 0.01 g. 3 (1) YUGO PORTAIMANES CON (6) IMANES. 4 (1) SOPORTE CIRCUITOS. Intensidad máxima 5A. 5 (1) SOPORTE VERTICAL. 6 (1) GAUSSOMETRO DIGITAL. 7 (6) CONDUCTORES LINEALES DE DIFERENTE LONGITUD. OBSERVACIONES: ANTES DE COMENZAR LA EXPERIENCIA, COMPROBAD QUE TODO EL MATERIAL QUE APARECE EN LA PRESENTE RELACION SE ENCUENTRA EN LA MESA DE TRABAJO. AL FINALIZAR DEJAD EL PUESTO ORDENADO Y LIMPIO VOLVIENDO A COMPROBAR QUE TODO EL MATERIAL ESTA EN SU LUGAR Y LISTO PARA SER UTILIZADO DE NUEVO. AL FINALIZAR LA EXPERIENCIA DESCONECTAD TODOS LOS APARATOS. ATENCIÓN DURANTE LA EXPERIENCIA NO UTILIZAD INTENSIDADES SUPERIORES A 4 AMPERIOS! M. RAMOS Página 1 11/03/02

2 EXPERIMENTO IFA5 LABORATORIO DE FISICA AMBIENTAL "Fuerza magnética ejercida por una corriente eléctrica I" I.- Introducción al experimento: La finalidad de esta experiencia es determinar los parámetros de que depende la fuerza magnética ejercida sobre una corriente eléctrica. Como una corriente eléctrica es un flujo de cargas eléctricas, cuando un conductor que lleva una corriente eléctrica se coloca en un campo magnético experimenta una fuerza, perpendicular a la corriente, que es la resultante de las fuerzas magnéticas ejercidas sobre cada una de las cargas en movimiento (véase la figura 1). Figura 1 r Consideremos, por simplicidad, el caso de un conductor rectilíneo de longitud L colocado en un campo magnético uniforme de intensidad B (ver la figura 2). Colocando al conductor en diferentes posiciones con corrientes y longitudes distintas se determina experimentalmente, como en la práctica vas a comprobar tú mismo, que el módulo de la fuerza magnética está dado por: F = ILBsen θ Figura 2 Donde, θ es el ángulo que hay entre el conductor y el campo magnético. La fuerza es cero si el conductor es paralelo al campo (θ=0) y máxima si es perpendicular (θ=π/2). Ya que todas las partículas cargadas se mueven dentro del conductor, la dirección de la fuerza magnética sobre la corriente es perpendicular al r conductor. Si u es un vector unitario en la dirección de la corriente, podemos combinar ambas propiedades de la fuerza magnética y escribir la fuerza como el producto vectorial: r r r F = ILu B 2

3 La dirección de la fuerza se encuentra aplicando la regla de la mano derecha del producto vectorial (ver figura 2). En el caso general en el que el conductor tiene una forma arbitraria y el campo magnético no es uniforme (ver la figura 3), podemos dividir el conductor en pequeños segmentos de longitud dl y aplicar la ecuación anterior a cada segmento. El resultado es: r r r F = I dl B L Figura 3 En esta experiencia se verificará experimentalmente la dependencia, de la fuerza magnética sobre una corriente rectilínea sometida a un campo magnético uniforme, como función de la intensidad de corriente que circula por el conductor y su longitud. Manteniendo, pues, la dirección entre el campo magnético externo y el conductor constante (θ=π/2). Con lo que el módulo de la fuerza que mediremos tendrá la siguiente dependencia con la longitud del conductor y la intensidad de corriente que circula su través: F = ILB II.- Aparatos: En este experimento manejaréis los siguientes elementos básicos: 1.- El campo magnético está generado por un yugo de hierro con varios imanes en su interior (ver la figura 4), la rdistancia entre los polos del yugo es lo más pequeña posible con el objeto de que el campo magnético B, generado en su interior, pueda considerarse homogéneo. 2.- La corriente eléctrica que se hace circula sobre varios circuitos (ver la figura 4), de diferente longitud, la produce una fuente de alimentación lineal. Que nos garantiza la circulación de electrones a través del circuito rectilíneo. Atención la intensidad máxima con la que se debe alimentar el circuito es de 4 Amperios! 3.- La fuerza magnética ejercida al introducir el circuito, unido a la fuente de alimentación mediante el soporte correspondiente (ver la figura 4), en el interior del campo magnético formado por los imanes, se mide con ayuda de una báscula de precisión. 3

4 Figura El campo magnético generado por los imanes lo podemos medir directamente con ayuda del gaussómetro digital. III.- Método de Experimentación: La metodología que debéis seguir será la siguiente: a) Dependencia funcional entre la fuerza magnética y la intensidad de corriente que circula por el circuito. 1.- Coloca los seis circuitos con los que trabajarás sobre la mesa ordenados según la longitud que aparece en la tabla I. CIRCUITO Longitud (mm) SF SF SF SF SF SF Tabla I 2.- Escoge el circuito de mayor longitud y colócalo en el soporte de conexión a la fuente de alimentación. Verifica que el circuito está cerrado, tal y como se observa en la figura 5. Figura Coloca el yugo porta-imanes sobre el plato de la balanza y pésalo, anota la medida en la tabla II, y deja la balanza en equilibrio con el yugo. 4.- Con sumo cuidado mueve el soporte del circuido hasta colocar al mismo en el interior del yugo (figura 6), observando que el circuito no roce con las paredes del yugo y tenga espacio suficiente para que el platillo de la balanza pueda oscilar, si no fuese así la medida de la fuerza magnética estaría falseada. 4

5 Figura Vamos a determinar experimentalmente la dependencia funcional entre la fuerza magnética y la intensidad de la corriente que pasa por el circuito. Para ello, conecta la fuente de alimentación, pon la intensidad a cero, I=0 A, y observa que la balanza está equilibrada en el peso que anotaste anteriormente, sino repite la medida. 6.- Aumenta lentamente la intensidad de la corriente que circula por el circuito empleando el botón (I. Limit.). La fuerza puede ser atractiva o repulsiva en función del sentido de la corriente y la orientación del imán. Escoge, para realizar las medidas, la fuerza repulsiva (así observarás un aumento de la masa en la balanza al circular la corriente a través del circuito). Si la masa disminuyese (fuerza atractiva) cambia la polaridad del imán (gíralo 180º) y repite los apartados #3, 4 y 5. Anota los resultados en la tabla II. Masa del yugo portaimanes= g. Intensidad (A) Masa (g) F (dinas) Tabla II 7.- Completa la tabla II, ten en cuenta que para transformar la masa leída en la balanza a fuerza en dinas has de multiplicar por la intensidad del campo gravitatorio en unidades cgs (g= 980 cm/s 2 ). Representa gráficamente los datos obtenidos. b) Dependencia funcional entre la fuerza magnética y la longitud del circuito. 1.- Escoge una intensidad constante de 3 Amperios. Realiza de nuevo la medida de la fuerza magnética. 2.- Apaga la fuente de alimentación, escoge otro circuito de diferente longitud al anterior. Cambia, en el soporte, el circuito nuevo por el ya medido. Coloca con precaución el nuevo circuito en posición de medir, tal y como se describe en el apartado 4. Determina en cada caso la masa del yugo porta-imanes. 3.- Conecta la fuente de alimentación con los 3 Amperios de intensidad constante y mide la fuerza magnética realizada. Anota tus resultados en la tabla III. Intensidad (A) Masa Yugo (g) Masa Total (g) F (dinas) L (mm) 3.00 Tabla III 5

6 c) Medida directa del campo magnético generado por el yugo porta-imanes. 1º Conexión del Gaussómetro. a) Conecta la sonda al aparato de medida Gaussómetro (modelo 4048). b) Conecta el interruptor en la posición de ON. En la pantalla aparecerá el nº de serie de la sonda que coincide con el nº grabado en la misma. c) Introduce el sensor en el interior de la caja cilíndrica de apantallamiento del campo magnético, para calibrar el cero del instrumento. d) Pulsar la tecla (Enter). Desaparecerán los dígitos de la pantalla. e) Pulsar, manteniendo la sonda en el cilindro de apantallamiento, la tecla (PB). en la pantalla aparecerá (00.0 DC, auto range Gauss). La sonda ya está lista para medir el campo magnético! 2.- Introduce la sonda entre los polos del yugo y determina el campo magnético existente. Rellena la tabla V. IV.- Resultados y Conclusiones: 1.- Representa gráficamente: a) Fuerza magnética (eje y) respecto Intensidad (eje x). b) Fuerza magnética (eje y) respecto Longitud (eje y). 2.- Ajusta gráficamente a una recta y halla la pendiente en ambos casos. Anótalas en la tabla IV. 3.- Realiza un ajuste por mínimos cuadrados a una función lineal y anota las pendientes obtenidas en la tabla IV. Pendiente gráfica F vs I F vs L Pendiente regresión Tabla IV 4.- Teniendo en cuenta que en las experiencias realizadas la dirección de la corriente eléctrica en el circuito y la dirección del campo son perpendiculares. Cuál será la expresión matemática del módulo de la fuerza magnética?. 6

7 5.- Partiendo de la expresión que anteriormente has desarrollado. Halla el valor del campo magnético, en las unidades adecuadas, para ambas experiencias, Compáralo con el medido directamente con el gaussómetro. Apartado c). Proceso de medida F vs I Intensidad del campo B (Gauss) F vs L Medida directa con el Gaussómetro V.- Bibliografía: 1.- Física. Alonso & Finn. De. Addison- Wesley (1992) 2.- " Física". P. A. Tipler. 3 ra Edición. 2do tomo. Ed. Reverté (1992). 3.- " Física ". Serway. 3 ra Edición. 2 do tomo. Ed. M c Graw Hill (1992). 3.- "Tratamiento Matemático de Datos". Spiridonov.- Ed. Mir. 7