INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉ T TII C A
FISICA
XPERIMENTAL III
I. OBJETIVO
Comp Compro roba barr la ley ley d Faraday, so sobre co corriente eléctrica ind cida por un flujo magnético variable.
II. FUNDAME TO TEORICO Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor, se
enera un campo
eléctrico a su alrededor. Cabría entonces hacerse la siguiente pr gunta:¿es posible que que un cam campo po mag magné néti ticc genere corriente eléctrica? Es necesario conocer el concep concepto to de de “fluj “flujo o magné magnétic tico”, o”, para para ello considerar una supe superf rfic icie ie plan plana, a, de área A, colocado en un campo magn tico uniforme B. trazando una perpendic lar a la superficie, designemos por θ el ángulo formado por por dich dicha a norm normal al N, N, co el vector B, el flujo magnético (φ ) que pasa a través de esta superficie se define por:
φ
= BA cos θ
unidades :
1weber
= Te
1Wb = 1T
orib or ibio io Cór Córdo dova va / Job Job Aba Abant ntoo / Ju Ju n Aquino
−m
laxm
2
2
1
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FISICA EXPERIMENTAL III
Faraday observo que se producía una “corriente inducida” en un circuito, cuando se produce una variación de flujo magnético a través del mismo. También pudo concluir que el valor de la f.e.m. inducida era mayor cuanto más rápidamente se produjera la variación variación de flujo flujo a través del circuito. Para ser más más precisos, hallo que si durante un intervalo de tiempo ∆t , el flujo magnético atraviesa un circuito, cambia en ∆φ , en dicho circuito existirá una f.e.m. inducida cuya magnitud esta dad por:
E = −
∆φ ∆t
∆
= variación de flujo magnético.
∆t =
intervalo de tiempo
E = f.e.m. inducida.
Si se considera una bobina de N espiras, entonces la expresión anterior se convertirá en:
E = − N
∆φ ∆t
N= número de espiras.
Heinrich Lenz, enuncio la ley que le permitió establecer el sentido de las corrientes inducidas y dice: “la corriente eléctrica inducida en un circuito aparece siempre con sentido tal, que el campo magnético que produce, tiende a oponerse a la variación del flujo magnético que atraviesa dicho circuito”.
•
Inducción electromagnética
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un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quién lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley (Ley de Faraday ). ). El
descubrimiento
de
Oersted
según
el
cual
las
cargas
en movimiento interaccionan con los imanes y el descubrimiento posterior de que los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre corrientes eléctricas, no solo mostraba la reacción entre dos fenómenos físicos hasta entonces independientes, sino también porque podría ser un camino para producir corrientes eléctricas de un modo más barato que con la pila de volta. Faraday fue el que obtuvo primeros resultados positivos en la producción de corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. •
Leyes De Faraday Y De Lenz
Faraday descubrió que cuando un conductor es atravesado por un flujo magnético variable, se genera en él una fuerza electromotriz inducida que da lugar a una corriente eléctrica. El sistema que generaba la corriente (el imán en nuestra experiencia) se llama inductor y el circuito donde se crea la corriente, inducido (la bobina en nuestro caso). Este fenómeno de inducción electromagnética se rige por dos leyes, una de tipo cuantitativo conocida con el nombre de ley de Faraday y otra de tipo cualitativo o ley de Lenz. El sentido de la fuerza electromotriz inducida es tal que la corriente que crea tiende mediante sus acciones electromagnéticas, electromagnéticas, a oponerse a la causa que la
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Faraday observo que la intensidad de la corriente inducida es mayor cuanto más rápidamente cambie el número de líneas de fuerza que atraviesan el circuito. (En nuestro caso cuanto mayor es la velocidad del imán o de la bobina, mayor es la intensidad de la corriente se crea en esta última) Este hecho experimental está reflejado en la ley que se enuncia: La fuerza electromotriz e inducida en un circuito es directamente proporcional a la velocidad con que cambia el flujo que atraviesa el circuito. •
Campo magnético
Se puede definir el campo magnético como la región del espacio donde se manifiestan acciones sobre las agujas magnéticas. Una carga en movimiento crea en el espacio que lo rodea, un campo magnético que actuara sobre otra carga también móvil, y ejercerá sobre esta última una fuerza magnética. •
Campo de fuerzas magnéticas
Las limaduras y alfileres de hierro, dejados sobre una mesa, se mueven cuando se les acerca un imán. Si dicho imán se acerca a una brújula, la aguja se desvía estas y otras más demuestran que el espacio alrededor del imán adquiere propiedades especiales, ya que el imán es capaz de ejercer fuerzas en su entorno, es decir, el imán crea un campo de fuerzas. Según esto, en el campo gravitatorio la fuerza se manifiesta sobre una masa, y en el campo eléctrico sobre una carga eléctrica. En el campo magnético no se dice sobre un polo magnético, sino sobre una aguja magnética o limaduras que siempre poseen dos polos. Esto es debido a que si se parte una aguja magnética o cualquier otro imán por su línea neutra, se comprueba que cada una de las partes se comporta como un nuevo imán.
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imán no es posible separar dos polos magnéticos. Se puede definir el campo magnético como la región del espacio donde se manifiestan acciones sobre las agujas magnéticas. La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. electromagnetismo. conocimientos
básicos
Maxwell sobre
consiguió
reunir
la electricidad y
en
una
sola teoría los
el magnetismo.
Su
teoría
electromagnética predijo, antes de ser observadas experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas. Hertz comprobó su existencia e inició para la humanidad la era de las telecomunicaciones. El descubrimiento, debido a Oersted, de que una corriente eléctrica produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Algunos físicos famosos
y
otros
menos
conocidos
estuvieron
cerca
de
demostrar
experimentalmente experimentalmente que también la naturaleza apostaba por tan atractiva idea. Pero fue Faraday el primero en precisar en qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno. A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Faraday las llamó corrientes inducidas. inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente
en
generar
campos
eléctricos
a
partir
de
campos
magnéticos variables se denomina inducción electromagnética. La inducción electromagnética constituye una pieza destacada en ese sistema de relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo que se conoce con el nombre
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para conectar una calculadora a la red, la dinamo de una bicicleta o el alternador de una gran central hidroeléctrica son sólo algunos ejemplos que muestran la deuda que la sociedad actual tiene contraída con ese modesto encuadernador convertido, más tarde, en físico experimental que fue Michael Faraday. Cuando movemos un imán permanente por el interior de las espiras de una bobina solenoide (A), formada por espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una fuerza electromotriz (FEM), es decir, aparece una corriente eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida por la "inducción magnética" del imán en movimiento. Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente al circular por esta otra bobina crea a su alrededor un "campo electromagnético", capaz de inducir, a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina. Por ejemplo, si colocamos una tercera bobina solenoide (C) junto a la bobina (B), sin que exista entre ambas ningún tipo de conexión ni física, ni eléctrica y conectemos al circuito de esta última un galvanómetro (G), observaremos que cuando movemos el imán por el interior de (A), la aguja del galvanómetro se moverá indicando que por las espiras de (C), fluye corriente eléctrica provocada, en este caso, por la "inducción electromagnética" que produce la bobina (B). Es decir, que el "campo magnético" del imán en movimiento produce "inducción magnética" en el enrollado de la bobina (B), mientras que el "campo electromagnético" que crea la corriente eléctrica que fluye por el enrollado de esa segunda bobina produce "inducción electromagnética" en una tercera bobina. Una carga eléctrica crea un campo eléctrico. Una carga eléctrica en movimiento crea además un campo magnético. Para expresar la existencia de dos campos, diremos
que
la
corriente
eléctrica
crea
un
campo
electromagnético.
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La similitud que existe entre el comportamiento de los imanes y las cargas eléctricas sugiere la posibilidad de que exista una relación de los fenómenos eléctricos y magnéticos. En 1820 el físico y químico Hans Christian Oersted, consiguió demostrar la relación existente entre ellos, así que realizo una práctica. De esta experiencia llego a una conclusión evidente: un conductor por el que circula una corriente eléctrica crea un campo magnético. Oersted comprobó también que cuanto más grande era la intensidad de corriente, mayor era la velocidad de desviación de la aguja imantada, y el conductor, para un valor de intensidad constante, mayor era la desviación experimentada por la aguja. •
Flujo magnético
Las
corrientes r
r
eléctricas
producen
efectos u r
magnéticos.
Una
corriente
r
eléctrica j ( r ) produce un campo magnético B ( r ) Una pregunta que surge en forma natural es si es posible que algún fenómeno magnético produzca también un fenómeno eléctrico. Faraday (1831) descubrió que los efectos buscados aparecen como consecuencia de la variación temporal de los campos magnéticos. Antes de discutir los resultados de Faraday, definamos el concepto de flujo magnético.
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III. PROCEDIMIENTO
1. Instale el equipo como se muestra en la fig.2; utilizar la bobina de 200 espiras. 2. Conectar el amperímetro a la escala de 0,5 m 3. Introduzca el imán en la bobina con cierta velocidad, y retírelo con la “misma
rapidez”. Anote las observaciones. Lo que se puede observar es que el multímetro empieza a captar electricidad generada por la bobina y empieza a marcar la cantidad de corriente generada.
4. Repita el procedimiento anterior pero introduciendo el otro extremo del imán.
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Se puede observar que hay una relación directamente
proporci nal
a
mayor
velo veloci cida dad d mayo mayorr corr corrie ien nte inducida que genera. 6.
Mantenga el imán ijo sobre la mesa
en posic posición ión vert vertica ical,l, tom tom la bobina con la mano y muévala hasta que el imán se intr introd oduz uzca ca en la bobi bobin n . Luego retírelo. Anote sus observaciones. observaciones. Se puede observar
ue no hay cambios en el multímetro s decir que en el
tiempo que se ha ejecutado este procedimiento no se ha g nerado corriente inducida. 7. Cambie la bobina por por el el del del sigu siguie ient nte e núm númer ero o de de esp espiiras y realice los
procedimientos 3 y .Anote sus observaciones y las lecturas el m A para cada bobina. Se pu puede ob observar que lo que genera es similar reacción en lo anteriormente trabajado.
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IV. MATERIAL S
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V. CUESTION RIO 1. ¿Podría afirmarse que de de acuerdo acuerdo a los procedimien procedimiento to 3 y 7, el valor de la corriente in ucida es proporcional al número de spiras?
Si porque debido
que mayor mayor sea sea el número número de espir espira as mayor será la
corriente inducida
or tan tanto to el ca campo magn agnéti ético es ca ca az de atravesar
mayores cantidades de filamentos.
2. Cuando el imán se encuentra dentro de la bobina, es ando ambas en reposo. ¿Existe cor iente inducida?
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Se generaría mayor electricidad debido a que el campo ma nético atraviesa un núm númer ero o may mayor or d espiras generando mayor corriente ind cida.
4. ¿Cómo explicaría di ha observación? El camp campo o mag magné néti ticc
se obse observ rva a una una rela relaci ción ón dire direct cta a ma ma or cantidad de
espiras mayor será la corriente inducida, debido a que al haber mayor cantidad de espiras ue atra atravi vies esa an dicho icho camp campo o y gener neran mayor corriente.
5. ¿En qué casos entonces seria cierta siempre la ley de fa raday? En los casos en que se aplique una velocidad al imán gene ando así que su campo magnético atravies raviese e una y otra otra vez vez las las espi espiras ras y no es e estático.
6. Construya un un gr gráfi o de las variaciones del flujo en función de las lecturas en el mA.
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FISICA EXPERIMENTAL III
7. ¿Qué relación empírica existe entre la variación de flujo y la intensidad de corriente inducida? La relación es directamente proporcional. 8. Explique
los
procedimientos
para
determinar,
por
medición,
la
resistencia total RT de las resistencias conectadas en paralelo. Hay una relación directamente proporcional a mayor velocidad a mayor velocidad que cambie el flujo del magnetismo mayor será la corriente o la fuerza electromotriz. Para empezar decir que la corriente inducida aparece si existe un campo magnético variable o si varía la superficie que atraviesa el campo o también si varía el ángulo entre el campo y el vector superficie. su perficie. La ley de Faraday nos dice que la fuerza electromotriz inducida es la velocidad con que varía el flujo magnético con el tiempo, por lo tanto: