Escuela Superior Politécnica del Litoral

GENERACIÓN DE CORRIENTE ELÉCTRICA A TRAVÉS DE

INDUCCIÓN MAGNÉTICA

José Gabriel Burbano Flores

José Steeven Cepeda Moreira

Tamara Estefanía Moreno Almeida

Hernán Guillermo Peñaherrera Orbe

Edisson Paúl Sánchez Castro

Madelyne Carolina Velasco Mite

Enero 2016

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Resumen

En este proyecto, vamos a demostrar que es posible crear una corriente que sea

capaz de encender unos leds por unos instantes. Para demostrar esto, nos basaremos en la

inducción electromagnética que indica que un campo magnético variable (un imán en

movimiento) genera corriente eléctrica en un inductor (bobina que es atravesada por el

imán). Tras generar una corriente en el inductor, el imán seguirá andando en la pista por lo

que lo pararemos con otro imán debido a la atracción entre polos magnéticos opuestos.

Palabras clave: imán, inducción electromagnética, inductor, bobina, corriente, polo

magnético

Conteo: 85

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Abstract

In this proyect, we will demonstrate how to create electric current to be able to turn

on several leds for an instant. Based on electromagnetic induction, a moving magnet will

create a variable magnetic field that when in presence of an inductor (cooper coil), will

create current within the coil to turn on the leds. After passing the coil, the magnet will

parry due to attracting opposite magnetic poles.

Keyword: current, electromagnetic induction, inductor, coil, magnet, magnetic pole

Word count: 85

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Tabla de contenido

Resumen.....................................................................................................................2

Abstract......................................................................................................................3

Introducción...............................................................................................................5

Marco teórico.............................................................................................................7

Corriente................................................................................................................7

Campo magnético..................................................................................................7

Inducción magnética.............................................................................................8

Ley de Faraday......................................................................................................9

Ley de Lenz............................................................................................................9

Imán y bobina......................................................................................................10

Diseño.......................................................................................................................11

Materiales.............................................................................................................11

Modelo..................................................................................................................11

Conclusiones y recomendaciones...........................................................................12

Anexo A: Gastos del proyecto................................................................................13

Tabla de ilustraciones.............................................................................................14

Referencias...............................................................................................................15

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Introducción

Existen muchas maneras de obtener energía para generar electricidad actualmente

tal como la energía eólica, térmica, hidráulica, etc. pero ahora nos vamos a enfocar sobre la

energía eléctrica producida por generadores magnéticos.

En el presente, existen linternas que no necesitan baterías para poder encender y

requieren menos mantenimientos porque están basadas en los principios del

electromagnetismo. Estas son muy útiles para casos donde se fue la luz y estamos a

oscuras. Basta con agitarlas unos cuantos segundos para tener luz durante unos minutos.

Esta linterna se basa en un experimento básico llamado “linterna mágica” donde se mueve

un imán cerca de la bobina y fue presentada en clase.

Imagen 1: Linterna mágica, conocida también como linterna de Faraday

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Imagen 2: Partes de una linterna de Faraday

Imagen 3: Diagrama de una linterna mágica casera

En la imagen 3, podemos ver un diseño casero para una linterna “mágica”. En base

a esto haremos algo similar usando una bobina más grande con un imán de mayor potencia

para prender más leds (5 en total).

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Marco teórico

Para entender con mejor detalle de cómo se van a encender los leds, tenemos que

revisar ciertos conceptos:

Corriente

La corriente eléctrica es la tasa de flujo de carga que pasa por un determinado punto

de un circuito eléctrico, medido en Culombios/segundo, denominado Amperio. En la

mayoría de los circuitos eléctrico de DC, se puede asumir que la resistencia al flujo de la

corriente es una constante, de manera que la corriente en el circuito está relacionada con el

voltaje y la resistencia, por medio de la ley de Ohm. Las abreviaciones estándares para esas

unidades son 1 A = 1 C/s (Olmo & Nave, Electric current, 2008)

Campo magnético

Los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas, las cuales pueden

ser corrientes macroscópicas en cables, o corrientes microscópicas asociadas con los

electrones en órbitas atómicas. El campo magnético B se define en función de la fuerza

ejercida sobre las cargas móviles en la ley de la fuerza de Lorentz. La interacción del

campo magnético con las cargas, nos conduce a numerosas aplicaciones prácticas. Las

fuentes de campos magnéticos son esencialmente de naturaleza dipolar, teniendo un polo

norte y un polo sur magnéticos. La unidad SI para el campo magnético es el Tesla, que se

puede ver desde la parte magnética de la ley de fuerza de Lorentz, Fmagnética = qvB, que

está compuesta de (Newton x segundo)/(Culombio x metro). (Olmo & Nave, Magnetic

field, 2008)

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Imagen 4: Líneas de campo magnético de una barra magnetizada

Inducción magnética

La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan

campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los

portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en

el conductor.

Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene la diferencia de potencial entre

dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.

La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado

por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son

los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un

conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las

cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).

Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento: si acercamos o

alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza

electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el

conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que

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se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con

respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

Ley de Faraday

Cualquier cambio del entorno magnético en que se encuentra una bobina de cable,

originará un "voltaje" (una fem inducida en la bobina). No importa cómo se produzca el

cambio, el voltaje será generado en la bobina. El cambio se puede producir por un cambio

en la intensidad del campo magnético, el movimiento de un imán entrando y saliendo del

interior de la bobina, moviendo la bobina hacia dentro o hacia fuera de un campo

magnético, girando la bobina dentro de un campo magnético, etc. (Martín Blas & Serrano

Fernández, 2014)

Ley de Lenz

Cuando se genera una fem por cambio en el flujo magnético, de acuerdo con la ley

de Faraday, la polaridad de la fem inducida es tal que produce una corriente cuyo campo

magnético, se opone al cambio que lo produjo. El campo magnético inducido en el interior

de cualquier bucle de cable, siempre actúa para mantener constante el flujo magnético del

bucle. En el ejemplo de abajo, si el campo B aumenta, el campo inducido actúa en

oposición. Si está disminuyendo, el campo magnético actúa en la dirección del campo

aplicado, para tratar de mantener constante. (Olmo & Nave, Faraday´s Law, 2008)

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Imagen 5: Dirección de la corriente debido a una variación del campo magnético

Imán y bobina

Cuando se mueve un imán dentro de una bobina de cable, cambiando el campo

magnético y el flujo magnético a través de la bobina, se generará un voltaje en la bobina de

acuerdo con la ley de Faraday. En el ejemplo que se muestra abajo, cuando el imán se

mueve hacia el interior de la bobina, el galvanómetro se desvía a la izquierda en respuesta

al aumento del campo magnético. Cuando el imán se empuja hacia afuera, el galvanómetro

se desvía hacia la derecha, en respuesta a la disminución del campo. La polaridad de la fem

inducida es tal que esta produce una corriente cuyo campo magnético se opone al cambio

que lo produjo. El campo magnético inducido en el interior de cualquier bucle de cable,

siempre actúa para mantener el flujo magnético del bucle constante. Este comportamiento

inherente de los campos magnéticos generados, se sumariza en la ley de Lenz.

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Diseño y creación

Modelo

Para nuestro modelo, decidimos usar una base de madera con una canaleta de PVC

para que funcione como la pista por la cual se deslizará el imán. Consideramos que es una

base sencilla pero bastante funcional para los objetivos del proyecto.

Imagen 6: Diagrama de la base usada por el proyecto

Como otras ideas para el proyecto tuvimos:

Realizar un movimiento armónico haciendo una pista parabólica

Realizar una pista circular estilo de autos de juguete de carrera

Estas ideas fueron rechazadas por no cumplir con los objetivos del proyecto o

desviarse mucho de ellos.

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Materiales

Para el proyecto, se usó lo siguiente:

General

5 leds (colores variados)

1 protoboard

1 bobina de alambre de cobre (2050 vueltas y 4 cm de largo)

1 imán cilíndrico (6600 gauss)

1 canaleta de PVC

1 embudo

Varios pedazos largos de madera

Pintura en spray color café

Barniz

Levitador

3 baterías de 9 V

Cinta aislante

1 Bobina de alambre de cobre casera

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Proceso de creación de la base

La base tardó en ser completada en varios días mientas íbamos probando las formas

adecuadas para el mismo. Se fueron añadiendo piezas para nivelarlo y además para

estabilizar la canaleta cuando el imán pasara a través de ella (existían desvíos o bajos a

medida que pasaba)

Imagen 7: Miembros del equipo durante la creación de la base

En esta parte algunos miembros aprendieron a usar nuevas herramientas y buscar

otras opciones en caso de no encontrar trabajo como ingenieros.

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Resultados

Imagen 8: Base casi acabada

En la imagen 8 podemos ver la base casi acabada luego de un arduo trabajo.

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Cálculos

Mediciones

Para calcular los valores de la fem inducida por la bobina, fuimos al laboratorio de

física C para PPL a medirlo.

Imagen 9: Valores durante la medición

Los valores obtenidos fueron:

1.5 mA

65 mV

Para calcular la aceleración con la que desciende el imán

∑ F y=mgcosθ−N=0

N=mgcosθ

∑ F x=∫π2

0

(mg sinθ−uk N ) dθ=ma

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∫π2

0

mgsin θ dθ−¿∫π2

0

uk mgcos θ dθ=ma¿

g[cos π2−cos0]−guk .[sin 0−sin π

2 ]=a

a=3,92 ms

Para calcular la velocidad con que el imán atraviesa la bobina

v f y

2 =voy

2 +2 ah

v f y=√2 ah

Vf =2.6 ms

Para calcular la fem inducida por la bobina

ε=N d∅dt

ε=NBlv

ε=2050 (0.66 ) (1.84 x10−5 ) (2.6 )

ε=0.65 V

Resistencia de la bobina usada para encender los leds

V=IR

Vfuente−Vled=IR

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R=1.74 Ω

Para calcular la resistencia de los Leds se usa la Ley de Ohm

V=IR

R=VI

R= 65 x10−3

1.5 x10−3

R=43.3Ω

Para la Calcular la Resistencia en un Circuito en paralelo y dado que son Leds

idénticos tienen la misma resistencia

1Req

= 5R

Req= 43.35

Req=8.67 Ω

La corriente total de los leds

I= VReqv

I=5.288.67

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I=0.61 A

La potencia disipada por la bobina

P=VI

P=5.28 (0.61)

P=3.22W

Campo asumido para el frenado

B=B ¨

0.66 ≥ B ¨

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Conclusiones y recomendaciones

Pudimos comprobar que a través de la inducción magnética, podemos producir

energía eléctrica. Mientras más rápido varíe el campo magnético, mayor energía vamos a

producir. Este proyecto puede ser útil para realizar lámparas mágicas caseras como se ve en

la imagen 1 ya que conocemos mejor su funcionamiento y se puede aplicar en la vida real.

Además, debido a esto sabemos qué significa una unidad de corriente en la vida real para

tener en cuenta a futuro. Así podremos darnos cuenta a ojo si el resultado está bien o mal.

Como recomendación, podría ser para futuros proyectos de especificar un tope

máximo de gastos para todos los equipos cuando se deban construir modelos. Esto se debe

a que no todos están en condiciones de aportar en iguales cantidades para el mismo. Las

revisiones deberían incluir los cálculos para asegurarnos que esté aún mejor nuestro

proyecto.

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Anexo A: Gastos del proyecto

Ítem Precio($)

Cable de cobre 10

Canaleta 2

Imán 30

Imán para freno 2

Embobinado 15

Pintura 10

Baterías 15

Total 84

Imagen 10: Gastos realizados

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Tabla de ilustraciones

Imagen 1: Linterna mágica, conocida también como linterna de Faraday 5

Imagen 2: Partes de una linterna de Faraday 6

Imagen 3: Diagrama de una linterna mágica casera 6

Imagen 4: Líneas de campo magnético de una barra magnetizada 8

Imagen 5: Dirección de la corriente debido a una variación del campo magnético 10

Imagen 6: Diagrama de la base usada por el proyecto 11

Imagen 7: Miembros del equipo durante la creación de la base 13

Imagen 8: Base casi acabada 14

Imagen 9: Valores durante la medición 15

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Referencias

Burbano, J., Cepeda, J., Moreno, T., Peñaherrera, H., Sánchez, P., & Velasco, M. (29 de

Enero de 2016). Proyecto de Fisica C. Obtenido de YouTube:

https://www.youtube.com/watch?v=uyowb1fRhIM&feature=youtu.be

Martín Blas, T., & Serrano Fernández, T. (Octubre de 2014). Inducción magnética.

Obtenido de Conceptos de física básica:

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/

induccion.html

Olmo, M., & Nave, R. (2008). Electric current. Obtenido de HyperPhysics:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/elecur.html

Olmo, M., & Nave, R. (2008). Faraday´s Law. Obtenido de HyperPhysics:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/farlaw.html

Olmo, M., & Nave, R. (2008). Magnetic field. Obtenido de HyperPhysics:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/magfie.html

Young, H., & Freedman, R. (2013). Física Universitaria con Física Moderna. México:

Pearson.

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