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Práctica 10: Inducción electromagnética Mesa 01 Laboratorio de Física 2 Departamento de Ciencias Básicas Profesor Andrés Felipe Méndez-Arenas MSc.
Informe de Laboratorio
Inducción electromagnética Alison Julianna Morales a and Julian Camilo Bustos a La ley de inducción electromagnética de Faraday se presenta como una de las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo, electromagnetismo, hoy en día tenemos muchos experimentos sencillos sencillos de los cuales se puede deducir directamente esta ecuación. A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Faraday las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctrico a partir de campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética. electromagnética. En esta práctica de laboratorio se observara y verificara cualitativamente la ley de Faraday en conjunto con la ley de Lenz a partir de un conjunto de sencillas experiencias que ilustran este fenómeno de la inducción electromagnética. electromagnética. El dispositivo experimental, se basa por un lado en ver el campo electromagnético electromagnético que genera una bobina alrededor de un imán y por otro lado se tuvieron dos bobinas magnéticamente acopladas a un generador de corriente continua observando el comportamiento de una de las bobinas pues esta se comportara como el imán.
Introducción. La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un medio o cuerpo expuesto a un magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático no uniforme. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (ley de Faraday). Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.
Esto se justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario realizar un trabajo o consumo de energía (mecánica, química, etcétera) para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial (el polo negativo al cual llega) a otro de mayor potencial (el polo positivo por el cual sale) (Ecuación 2)
ℇ=
(2)
La ley de inducción electromagnética electromagnética de Faraday (o simplemente ley de Faraday) establece que la tensión inducida en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde. (Ecuación 3)
La fuerza electromotriz o voltaje inducido (representado fem, (FEM) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. Con carácter general puede explicarse por la existencia de un campo electrostático conservativo (ECS) cuya circulación, define el voltaje inducido del generador (ecuación 1).
⃗ = − ∫ ⃗ ∙ ⃗ ∮ ⃗ ∙ ℓ
(3)
Donde:
E= campo eléctrico dL= elemento infinitesimal del contorno C B= densidad del campo magnético S= superficie arbitraria, cuyo borde es C
= − ∫ ∙ ℓ
(1)
dA= está dada por la regla de la mano derecha
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a
2017, 00 , 1-3 | 1
Ingenieria Electrica; Universidad de la salle
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Informe de Laboratorio
Laboratorio de Física 1 – Universidad de La Salle
Esta ley nos dice que se induce una diferencia de potencial en una espira cuando el número de líneas de campo magnético que la atraviesan cambia con el tiempo. En otras palabras, un flujo magnético variable produce una fuerza electromotriz inducida. Como el flujo magnético desempeña un papel crucial en la ley de Faraday, se puede caer en la tentación de creer que el flujo es la causa de la fuerza electromotriz inducida; la verdadera causa es la variación del flujo con el tiempo. Para que dicho flujo varíe puede haber diversos motivos: que varíe el campo magnético, que varíe la superficie de la espira, que varíe la orientación relativa entre la espira y el campo magnético o bien que se den dos de las circunstancias anteriores al mismo tiempo o, incluso, las tres al unísono. Además, la fuerza electromotriz que nos proporciona una batería está concentrada entre sus extremos, entre sus bornes; sin embargo, la fuerza electromotriz inducida puede considerarse que está distribuida a lo largo de todo el circuito por el que fluye la corriente, no está asignada a ninguna zona en concreto del circuito.
Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será el expresado en la ecuación 5
Φ = ∫ cos
A su vez, el valor del flujo puede variar debido a un cambio en el valo r del campo magnético como se muestra en la ecuación 6.
d Φ = ∙ ∙ c o s
(5)
En este caso la ley de Faraday afirma que la tensión inducida en cada instante tiene por valor. (Ecuación 6)
=−
Heinrich Friedrich Emil Lenz , fue un alemán del Báltico conocido por formular la Ley de Lenz en 1833, cuyo enunciado es el siguiente:
(5)
(6)
Donde:
“El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal
que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la var iación del flujo”.
Ε: es el voltaje inducido. dΦ/dt: es la tasa de variación temporal del flujo magnético
La ley de Lenz para el campo electromagnético relaciona cambios
Φ y N: el número de espiras del conductor.
producidos en el campo eléctrico por un conductor con la propiedad de variar el flujo magnético, y afirma que las tensiones o voltajes aplicadas a un conductor, generan una F.E.M. (fuerza electro motriz) que se opone al paso de la corriente que la produce. Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año 1834. En un contexto más general que el usado por Lenz, se conoce que dicha ley es una consecuencia más del principio de conservación de la energía aplicado a la energía del campo electromagnético.
La dirección del voltaje inducido (el signo negativo en la formula) se debe a la oposición al cambio de flujo magnético.
FORMULACION: La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por la ecuación 4.
Φ = B ∙ S = B S c o s
(4)
APLICAIONES PRÁCTICAS DEL FENOMENO DE INDUCCION Antes del descubrimiento de la inducción electromagnética, la única fuente de energía era la pila de Volta o la de Daniel, que producían energía cara y en pequeñas cantidades. Gracias a la inducción electromagnética, una gran cantidad de trabajo mecánico puede transformarse en energía eléctrica de forma rápida y económica, induciendo una corriente en un circuito. Algunos fenómenos basados en la inducción electromagnética son el funcionamiento de generadores y motores eléctricos. •
La energía eléctrica es la forma de energía más consumida, pues se puede producir y distribuir de forma económica y es muy versátil. Es transportada y distribuida en la instalación eléctrica para su utilización. •
Los alternadores transforman grandes cantidades de trabajo mecánico en electricidad y los transformadores permiten la distribución eficaz de esta electricidad. Ambos dispositivos son aplicaciones directas de la inducción electromagnética, pero también lo son las dinamos, los micrófonos…, e incluso las guitarras eléctrica s. •
Donde: Φ= Flujo magnético. La unidad en el sistema internacional es el weber (Wb)
B= inducción magnética. La unidad en el sistema internacional es el tesla (T)
S=superficie definida por el conductor α= ángulo que forman el vector S perpendicular a la superficie definida por el conductor y la dirección del campo.
Un generador eléctrico es un dispositivo de una instalación eléctrica que transforma una determinada forma de energía en energía eléctrica. Si el generador produce corriente eléctrica continua suele recibir el nombre de dinamo y, si produce corriente alterna, se le llama alternador. •
•
En las centrales eléctricas se produce energía eléctrica a gran
escala utilizando una fuerza electromotriz para mover una turbina
2 | Laboratorio de Física 1 - UDLS ., 2015, 00 , 1 -3
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unida a un generador eléctrico (alternador). La fuerza que mueve las turbinas puede provenir del agua, el vapor, el viento, etc. Según la fuente de energía primaria que se transforma en energía eléctrica, existen distintos tipos de centrales:
•
Hidroeléctricas: Las turbinas son movidas por el agua que cae por
un desnivel. La energía primaria es energía mecánica (energía potencial del agua).
•
Posteriormente se saca y se introduce el imán en el solenoide para también determinar su comportamiento gracias al galvanómetro. (Figura 2). Luego se introduce despacio/deprisa el imán en el solenoide para luego ser testeado con el galvanómetro. Seguidamente se sustituye el imán por una bobina más pequeña que se pueda introducir en el interior de la bobina mayor, conectada a un generador de corriente
Térmicas: Las turbinas son movidas por vapor. El calor necesario
para obtener vapor procede de la combustión de materiales fósiles, como carbón, petróleo o gas natural.
•
Nucleares: Las turbinas son movidas por vapor, que se obtiene
de la fisión nuclear en un reactor, (energía nuclear).l texto principal del artículo debe aparecer aquí con las partidas, según corresponda.
Metodología
continua y con un núcleo de hierro y nuevamente con la ayuda del galvanómetro se observa su variación.(Figura 3)
Se realizan las siguientes experiencias:
Figura 3. Solenoide con núcleo de hierro (electroimán) dentro de un
Se midió la corriente de un solenoide en reposo con la ayuda del galvanómetro para ver si se producía variación en e l campo generado a su alrededor (Figura 1).
solenoide de abertura mayor.
Por último se realizan las mismas experiencias, y una más: la de conectar y desconectar la corriente que pasa por la bobina pequeña. Además de esto cabe resaltar que se repitieron las pruebas del núcleo de hierro, pero en vez de hierro se usó un núcleo de madera
haciendo que la interacción y posterior medición del campo fuera nula o muy baja debido a las características del material. (Figura 4).
Figura 1. Solenoide conectado galvanómetro. Luego se puso el imán en reposo dentro del solenoide y se volvió a hacer la prueba con el galvanómetro. (Figura 2)
Figura 4. Presenta la misma configuración de la figura 3, pero en vez de tener un núcleo de hierro, este es de madera
Análisis Cualitativo.
Figura 2. Imán dentro del solenoide con conexión a galvanómetro donde es posible observar que se presenta una delectación de la aguja del aparato de medida
Se conectó la bobina primaria de alambre delgado a un galvanómetro y se midió la corriente en su punto más sensible introduciendo un imán con el polo norte hacia abajo y se observó que se genera una corriente y un campo al moverlo de manera horizontal, cuando el polo norte del imán esta hacia arriba y el polo sur hacia abajo, se produce una corriente positiva cuando este entra a la bobina y una negativa cuando sale. Además de esto se observó cómo al introducir el imán por el polo sur este genera mayor fluctuación en el galvanómetro.
J. Name ., 2013, 00 , 1-3 | 3
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Laboratorio de Física 1 – Universidad de La Salle
Cuando el polo sur del imán esta hacia arriba y el polo norte hacia abajo, se produce una corriente positiva cuando este sale de la bobina y una negativa cuando entra.
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https://elementos.org.es/hierro https://www.voltimum.es/articulos-tecnicos/aplicacionesinduccion
Al mover un conductor de un campo magnético perpendicularmente a él se produce una corriente eléctrica debido a que el movimiento hace que el campo magnético sea variable. Es decir, este movimiento ocasiona una variación del número de líneas de fuerza del campo que atraviesan una superficie, así como el ángulo que estas forman con los elementos de la superficie. Esto se traduce en una variación del flujo magnético a medida que el tiempo transcurre. Por esta razón se produce una inducción electromagnética. Al introducir la segunda bovina más pequeña de alambre grueso a la primera bobina más grande y conectarlas a la fuente de corriente vemos como se produce un campo magnético por lo tanto podemos decir que esta segunda bobina es equivalente al experimento realizado con el imán pero también se observa que no hay corriente inducida en la bobina primaria Ahora al introducir un núcleo de hierro dentro de la bobina secundaria vemos como ahora si genera co rriente inducida de una bobina a la otra esto es debido a que las propiedades magnéticas del hierro ya que es un buen conductor de electricidad ya que incluye en su configuración electrónica el orbital d, parcialmente lleno de electrones. Caso contrario al cambiar este núcleo por una vara de madera puesto que esta no genera corriente.
Conclusiones Al moverse perpendicularmente un conductor en un campo magnético se obtiene como resultado una corriente inducida. Mientras mayor sea el cambio del flujo, mayor será el valor de la corriente eléctrica que se inducirá en el alambre conductor. Una bobina al estar expuesta a un campo magnético variable con el tiempo producirá una corriente cuyo signo depende de cómo atraviesen la bobina las líneas de flujo del imán. Para analizar claramente la dependencia de una magnitud que depende de varias variables lo mejor y más entendible es variar solamente una de ellas y ver qué ocurre con dicha magnitud. Nos hemos concentrado en estudiar el fenómeno de la inducción electromagnética cuando el que se modifica es el campo magnético responsable del flujo magnético. En nuestro experimento realizado, la variable es la intensidad que recorre el primario, siendo la frecuencia constante. Obtenemos una dependencia lineal que concuerda bastante bien con lo que se deduce de la ley de Faraday-Henry.
Referencias 1 2 3 4
https://es.wikipedia.org/wiki/Inducción_electromagnética https://es.wikipedia.org/wiki/Carga_por_inducción https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Faraday https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Lenz
4 | Laboratorio de Física 1 - UDLS ., 2015, 00 , 1 -3
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