Experiencia N8:

Experiencia N8: POTENCIA ELCTRICA- CONDENSADORES Y BOBINAS EN CIRCUITODE C.C

I. OBJETIVOS Comprobar que el campo magntico existe, promedio de una simple brjula, la cual mover su aguja perpendicularmente a la posicin en que se encuentra la brjula cruzada por debajo por el cable, mientras el sistema est cerrado.

Comprobar que al poner corriente elctrica en una solenoide en la cual existe un metal capaz de ser magnetizado posicionado en el centro de la solenoide, adquiere la propiedad de atraer objetos magnticos mientras el sistema elctrico est cerrado.

II. FUNDAMENTO TERICO

CAMPO MAGNTICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR ELCTRICO

Todo conductor elctrico por el que circula una corriente genera un campo magntico. Dicho campo se origina debido a que los portadores de carga (electrones) se mueven dentro del conductor. La siguiente animacin muestra el campo magntico generado por un conductor por el que fluye una corriente: Un conductor por el que circula corriente est rodeado por lneas de campo concntricas. Para determinar el sentido de las lneas de campo se puede aplicar la llamada "regla del tornillo": Las lneas del campo magntico rodean el conductor por el que circula corriente en la misma direccin en la que habra que girar un tornillo (de rosca derecha) para apretarlo en el sentido tcnico del flujo de la corriente.

CAMPO MAGNTICO CREADO POR UN CONDUCTOR RECTILNEOUna corriente rectilnea crea a su alrededor un campo magntico cuya intensidad se incrementa al aumentar la intensidad de la corriente elctrica y disminuye al aumentar la distancia con respecto al conductor.En 1820 el fsico dans Hans Christian Oersted descubri que entre el magnetismo y las cargas de la corriente elctrica que fluye por un conductor exista una estrecha relacin.Cuando eso ocurre, las cargas elctricas o electrones que se encuentran en movimiento en esos momentos, originan la aparicin de un campo magntico tal a su alrededor, que puede desviar la aguja de una brjula.

CAMPO MAGNETICO DE UNA BOBINAEn muchos equipos elctricos y electrnicos se utilizan componentes que constan de conductores elctricos arrollados. Estos arrollamientos se conocen como bobinas. Como todo conductor por el circula la corriente, las bobinas con corriente tambin presentan un campo magntico:

LA MATERIA EN EL CAMPO MAGNTICO Intensidad de campo H y densidad de flujo BTodas las corrientes elctricas estn rodeadas por campos magnticos. Aqu se diferencia entre dos magnitudes: La intensidad de campo H, conocida tambin como excitacin magntica, se genera nicamente con corriente elctrica verdadera (esto es, mensurable con el ampermetro). Caracteriza el origen del campo magntico. La densidad de flujo B es responsable de la induccin, de la fuerza de Lorentz al igual que de la atraccin y repulsin de los imanes (permanentes). Por esta razn, caracteriza el efecto del campo magntico.La materia en el campo magntico Si una bobina se encuentra en el vaco (o lo suficientemente cercana al campo magntico, en la atmsfera), es vlido lo siguiente: Constante de campo magntico o = 4 10-7 Vs/Am Unidad SI de la intensidad de campo H A/m Unidad SI de la densidad de flujo magntico B T (Tesla) = Vs/m2

B = 0 H

Se puede comprobar con facilidad que, con igual corriente I (y, por tanto, con igual intensidad de campo H), la densidad de flujo magntico B vara si se introduce materia en el interior de una bobina. Para la descripcin de este fenmeno, dependiente de la materia, se introdujo la constante de permeabilidad magntica relativa r : r = B (materia) / B (vaco)

De acuerdo con la permeabilidad magntica relativa, los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales: Diamagnticos: r < 1 Paramagnticos: r > 1 Ferromagnticos: r >> 1 En los dos primeros grupos, r se aleja de 1 de forma poco significativa. En el caso de los ferro magnetos, se da el caso contrario puesto que r puede alcanzar valores 100.000 veces mayores. Bobina con ncleo de hierro Si se coloca un ncleo de hierro dentro de una bobina, aqul se ver magnetizado por sta. As se produce un electroimn:

El campo magntico resultante es mucho ms fuerte que el de la bobina sin ncleo de hierro. FUERZA DE LORENTZ Si un conductor por el que circula corriente se coloca dentro de otro campo magntico, se producir una interaccin entre ambos campos REGLA DE LA MANO DERECHA Un mtodo sencillo para determinar el sentido de la fuerza de Lorentz es la llamada regla de la mano derecha. Las magnitudes velocidad v de los electrones (contraria al sentido tcnico de la corriente) induccin magntica B del campo magntico exterior fuerza F (fuerza de Lorentz) son perpendiculares entre s. Si se conoce el sentido de dos de ellas, con la regla de la mano derecha se puede determinar el sentido de la tercera magnitud. INDUCCINEn la electrotecnia se conoce como induccin a la generacin de energa elctrica en un conductor (alambre) debido a un campo magntico variable. La induccin tiene una gran importancia tcnica en la produccin de corriente con generadores y en los transformadores. LEY DE LA INDUCCIN Los procesos fsicos relativos a este fenmeno se describen mediante la ley de la induccin. Una variacin del flujo en el tiempo dF/dt induce en un bucle conductor, que abarca la superficie A, la tensin de induccin.

Si el conductor es una bobina con n vuelta, las tensiones parciales inducidas en cada arrollamiento se suman para conformar la tensin totalIII. EXPERIMENTOS

A. CAMPO MAGNETICO DE UN CONDUCTOR 1

Con una brjula se verificar el campo magntico de un conductor por el que circula corriente. Monte el siguiente arreglo experimental: Aleje el imn por lo menos 50 cm de la brjula. Anote la posicin de la aguja magntica, la cual se ve determinada bsicamente por el campo magntico terrestre. En la animacin, pulse el botn STEP2 y complete la ltima conexin como se indica. De este modo, por el conductor circular una corriente de aprox. 1 A. Cmo se comporta la aguja imantada cuando se cierra el circuito elctrico? La aguja se mueve hacia la direccin aproximada de las lneas de campo concntricas al conductor.

Qu sucede cuando la aguja de la brjula no se coloca debajo sino por encima del cable por el que circula la corriente? La aguja se desplaza claramente hacia la otra direccin.

B. CAMPO MAGNETICO DE UN CONDUCTOR

Se averiguar si es mayor el campo magntico de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente. Se analizar si la polaridad de la corriente ejerce alguna influencia.

Juzgue la intensidad del campo magntico en el interior de un bucle conductor, comparada con la intensidad del campo en un conductor, si por ambos circula la corriente: a) En el caso del bucle conductor la deflexin de la aguja es: ms fuerteb) El campo magntico del conductor sin bucle es: ms dbil

Permute los terminales del bucle conductor en la alimentacin de corriente. As se modifica la polaridad de la corriente. Qu efecto ejerce este cambio sobre el campo magntico? Esto sucede porque el sentido de las lneas de campo concntricas cambia de direccin por la regla de la mano derecha.

C. VERIFICACIN DEL CAMPO MAGNETICO DE UNA BOBINACon una brjula se analizar una bobina mientras por ella circula una corriente al igual que cuando no se aplica ninguna corriente. En este caso, se determinarn ciertas propiedades magnticas y la forma de las lneas de campo. SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL:Con la brjula que se mueve alrededor de la bobina se observa que la aguja mantiene su posicin indicando de norte a sur Retire la brjula de su soporte y acrquela lentamente a la bobina. Observe la orientacin de la aguja de la brjula. Complemente el arreglo experimental. La animacin STEP2 muestra la manera de hacerlo. Mueva de nuevo la brjula alrededor de la bobina por la que ahora circula corriente. Observe la direccin de la corriente.

Qu se puede afirmar acerca de la orientacin de la aguja de la brjula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina sin corriente?

La aguja magntica mantiene la direccin de norte a sur

Qu se puede afirmar acerca de la orientacin de la aguja de la brjula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina por la que circula corriente?

La aguja cambia de orientacin cada vez que se coloca en una nueva posicin sobre la bobina Cuando en el solenoide se conecta con una fuente de corriente, ste se polariza en sus extremos de esta manera se le puede comparar como un imn de barra, al tener polo norte y polo sur, entonces al pasar una corriente la aguja de la brjula se orientara en diferentes sentidos mientras cuando no haya corriente la aguja mantendr la misma direccin.La aguja de la brjula se orienta? Se orienta en sentido paralelo a las lneas de campo Las lneas de campo describen un arco? Si describen un arco orientado de polo norte a polo sur en la bobina

D. EFECTO DEL NUCLEO DE HIERRO

SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL:Con una brjula se analizar una bobina con ncleo de hierro, por la que circula corriente.Se compararn las propiedades magnticas de la bobina con y sin ncleo de hierro.

Qu puede afirmar acerca del comportamiento de la brjula frente a una bobina con ncleo de hierro si se realiza una comparacin con lo que sucede cuando el ncleo se encuentra ausente?

La aguja se desva ms fuertemente, pues el campo magntico se refuerza con el ncleo de hierro y las lneas de campos salen por los polos.Esto sucede debido a que cundo introducimos un ncleo de hierro el campo magntico se ve reforzado y esto hace que la aguja de la brjula se desve mucho ms que antes de introducir el ncleo de hierro.

E. EFECTO DINMICO MAGNTICO

SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL:Se verificar si una fuerza acta sobre un imn que se introduce en una bobina.Introduzca y saque repetidamente el imn del devanado de la bobina con corriente. Qu se siente? Dependiendo de la polaridad del imn permanente, este es empujado al interior de la bobina o expelido del mismo Se siente la presencia de fuerzas.

F. REMANENCIA

Se someter un ncleo de hierro a la influencia de un campo magntico y, a continuacin, se verificar su campo magntico residual. Luego se repetir el experimento con la polaridad invertida.

Monte el siguiente arreglo experimental:

Con un marcador, o con material adhesivo rojo, marque un lado del ncleo de hierro. Inserte y retire repetidamente el ncleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. El punto rojo se dirige hacia abajo. Saque el ncleo de hierro y analcelo con la aguja imantada. A) Conserva el ncleo de hierro propiedades magnticas despus de que el campo ha actuado sobre l? (Mantenga el imn permanente a suficiente distancia)

El ncleo de hierro desva ostensiblemente la aguja imantada; Por tanto posee un campo magntico.

B) Cul polo queda en el extremo marcado con el punto rojo? El polo sur, puesto que el extremo azul de la aguja de la brjula se ve atrado.

C) Cul polo queda ahora en el extremo marcado con el punto rojo?

El polo norte, puesto que el extremo plateado de la aguja de la brjula se ve atrado.

G. INDUCCIN 1

SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL:

En una bobina sin ncleo se generar una tensin con el movimiento de un imn permanente. Dicha tensin se medir con un voltmetro.

Abra el instrumento virtual voltmetro A del men de instrumentos de medicin o pulse sobre la imagen del instrumento. Rango: 0,5 V, DC Display anlogo Conmutador giratorio en AV (visualizacin de valor medio)

Conecte la bobina a un voltmetro. Introduzca y retire varias veces el imn permanente del devanado de la bobina. Qu se puede observar en el voltmetro?

El voltmetro indica tanto tensin positiva, como negativa, segn el sentido del movimiento.Cuando se mueve el imn hacia la bobina conectada al voltmetro, su lectura cambia desde cero, lo que indica que se ha inducido una corriente en la espira.

Recordemos que le cada de tensin y la corriente estn relacionadas de forma directa.

Cuando el imn se mueve alejndose de la bobina, la lectura del voltmetro se desva en la direccin opuesta, lo que indica que la corriente inducida tiene direccin contraria.

Cuanto ms rpido sea el movimiento, mayor ser la amplitud de la tensin.

Faraday concluy: es posible inducir una corriente elctrica en una espira mediante un campo magntico cambiante.

La fem inducida es directamente proporcional a la rapidez de cambio con el tiempo del flujo magntico a travs de la espira. Este enunciado, puede ser escrito matemticamente como Ley de induccin de Faraday:

Al aumentar la rapidez del movimiento del imn aumenta tambin la rapidez del cambio del flujo magntico en el tiempo al interior de la bobina, de manera que la corriente inducida aumenta lo que se puede comprobar a travs del aumento de la amplitud de la tensin.

H. INDUCCIN 2

SE MONTA EL SIGUIENTE ARREGLO EXPERIMENTAL:Se variar el campo magntico sin realizar ningn movimiento, encendiendo y apagando la corriente en una "bobina de campo". Se observar la tensin inducida en una segunda bobina y se medir esta tensin con un voltmetro. Rango: 0,5 V, DC Display anlogo Conmutador giratorio en AV (visualizacin de valor medio)

Dos bobinas se encuentran arrolladas alrededor del ncleo de hierro. La bobina 1 est conectada al voltmetro. En la bobina 2 se conecta y desconecta una corriente. Qu se puede observar en el voltmetro? El voltmetro indica tanto tensin negativa como positiva, dependiendo del estado de conexin. La deflexin del voltmetro es solo muy breve, a continuacin la tensin vuelve a caer a cero.

IV. CONCLUSIONES

Al que dar la bobina cargada por una corriente inducida, tiende a descargarse, por lo cual el voltmetro indicada una medicin brevemente. El campo sufre variacin al abrir y cerrar el circuito. La corriente inducida en una bobina dura solo el instante de la variacin del campo. Cuando se cambia la direccin del movimiento del imn, se cambia tambin la direccin de la corriente inducida por dicho movimiento. El efecto de cambiar la polaridad del imn que se pone en movimiento al interior de una bobina no interviene en la generacin de la corriente inducida en sta. El campo sufre variacin al abrir y cerrar el circuito. La direccin de la fuerza magntica se determina por la regla de la mano derecha. La fuerza F es siempre perpendicular al plano de v y B. Al medir el azimut de una brjula puede que no marque el verdadero valor, debido a perturbaciones producidas por otros campos. Al que dar la bobina cargada por una corriente inducida, tiende a descargarse, por lo cual el voltmetro indicada una medicin brevemente.V. BIBLIOGRAFA

Manual de laboratorio de fsica I. Manual de laboratorio de fsica III. Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo- Fsica III, 7 ma Edicin. Peul Hewitt; Fundamentos de Fsica Conceptual; Mxico; 2009; Pearson Educacin. Raymond A. Serway; Fsica; cuarta edicin; Mxico; 1997; McGraw-Hill; pp. 727; espaol. Fsica para ciencias e ingeniera con fsica moderna, volumen 2, Sptima edicin1Laboratorio de Fsica III: Electricidad y Magnetismo