UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Curso: Laboratorio de Fsica III

Profesor: Emilio Medrano Tema: Induccin electromagntica

Informe de laboratorio

Integrantes:

1. OBJETIVOS

1. Estudiar algunos fenmenos de induccin magntica.

2. Determinar la relacin entre corriente inducida y la variacin de flujo magntico.

2. MATERIALES

Galvanmetro

Restato

Solenoides (2)

Tornillo de metal

Comps magntico

Fuente de voltaje VCD

Imanes (2)

Conexiones

Llave de tipo presin reversible

3. FUNDAMENTO TEORICO

LOS trabajos de Ampre se difundieron rpidamente en todos los centros activos de investigacin de la poca, causando gran sensacin. Un joven investigador ingls, Michael Faraday (1791-1867) se empez a interesar en los fenmenos elctricos y repiti en su laboratorio los experimentos tanto de Oersted como de Ampre. Una vez que entendi cabalmente el fondo fsico de estos fenmenos, se plante la siguiente cuestin: de acuerdo con los descubrimientos de Oersted y Ampre se puede obtener magnetismo de la electricidad, ser posible que se obtenga electricidad del magnetismo? De inmediato inici una serie de experimentos para dar respuesta a esta pregunta.

Faraday fue uno de los ms ilustres cientficos experimentales del siglo XIX. Hijo de un herrero y con estudios de educacin elemental, ya que no tuvo oportunidad de enseanza de mayor nivel, empez a trabajar como aprendiz de librero en 1808, dedicndose a la encuadernacin. Como pasatiempo lea los libros que le traan los clientes, en particular los de qumica y electricidad, lo que abri ante sus ojos un nuevo mundo, despertndose en l un gran inters por aumentar sus conocimientos. As empez a estudiar cursos nocturnos que ofreca en la Royal Institution (Institucin Real para el Desarrollo de las Ciencias) el cientfico Humphry Davy. Esta institucin haba sido fundada en 1799 y desde 1801 su director era Davy, uno de los cientficos ms prestigiados de Inglaterra. Faraday escribi flotas del curso que llev con Davy.

En 1812 Davy recibi una solicitud de trabajo de Faraday, cuyo empleo de aprendiz como encuadernador estaba por concluir. Mand al profesor, como prueba de su capacidad, las notas que haba escrito en el curso que el mismo Davy haba dictado.

Faraday fue contratado como asistente de laboratorio en 1813, comenzando as una ilustre carrera en la Royal Institution, que dur hasta su retiro, en 1861. De asistente pas a reemplazante temporal de Davy, y finalmente fue su sucesor.

Faraday public su primer trabajo cientfico en 1816 y fue elegido miembro de la Royal Institution en 1827. Se dedic durante mucho tiempo al estudio de los fenmenos qumicos. Entre los logros de Faraday se pueden mencionar el reconocimiento de nuevos compuestos qumicos, el trabajo sobre la licuefaccin de los gases, el descubrimiento de las leyes de la electrlisis, la demostracin de que sin importar cmo se produjera la electricidad siempre era la misma ya que produca en todos los casos los mismos efectos. Posiblemente sus mayores descubrimientos fueron la induccin electromagntica y la idea de campo. En este captulo hablaremos de la primera y dedicaremos otro captulo al concepto de campo.

Faraday inici en 1825 una serie de experimentos con el fin de comprobar si se poda obtener electricidad a partir del magnetismo. Pero no fue sino hasta 1831 que pudo presentar sus primeros trabajos con respuestas positivas.

Despus de muchos intentos fallidos, debidamente registrados en su diario, Faraday obtuvo un indicio en el otoo de 1831. El experimento fue el siguiente. Enroll un alambre conductor alrededor de un ncleo cilndrico de madera y conect sus extremos a un galvanmetro G; sta es la bobina A de la figura 5. En seguida enroll otro alambre conductor encima de la bobina anterior. Los extremos de la segunda bobina, B en la figura, los conect a una batera. La argumentacin de Faraday fue la siguiente: al cerrar el contacto C de la batera empieza a circular una corriente elctrica a lo largo de la bobina B. De los resultados de Oersted y Ampre, se sabe que esta corriente genera un efecto magntico a su alrededor. Este efecto magntico cruza la bobina A, y si el magnetismo produce electricidad, entonces por la bobina A debera empezar a circular una corriente elctrica que debera poder detectarse por medio del galvanmetro.

Sus experimentos demostraron que la aguja del galvanmetro no se mova, lo cual indicaba que por la bobina A no pasaba ninguna corriente elctrica.

Sin embargo, Faraday s dio cuenta de que en el instante en que conectaba la batera ocurra una pequea desviacin de la aguja de galvanmetro. Tambin se percat de que en el momento en que desconectaba la batera la aguja del galvanmetro se desviaba ligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluy que en un intervalo de tiempo muy pequeo, mientras se conecta y se desconecta la batera, si hay corriente en la bobina B. Siguiendo esta idea Faraday descubri que efectivamente se producen corrientes elctricas slo cuando el efecto magntico cambia, si ste es constante no hay ninguna produccin de electricidad por magnetismo.

Al conectar el interruptor en el circuito de la bobina B de la figura 5 el valor de la corriente elctrica que circula por l cambia de cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efecto magntico que produce esta corriente a su alrededor tambin cambia de cero a un valor distinto de cero.

De la misma manera, cuando se desconecta la batera la corriente en el circuito cambia de un valor no nulo a cero, con el consecuente cambio del efecto magntico.

Figura 5. Esquema del experimento de Faraday con que descubri la induccin electromagntica.

Por otro lado, cuanto est circulando una corriente con el mismo valor todo el tiempo, hecho que ocurre cuando la batera est ya conectada, el efecto magntico que produce la bobina tambin es constante y no cambia con el tiempo.

Recordemos que la intensidad del efecto magntico producido por una corriente elctrica depende del valor de la corriente: mientras mayor sea este valor mayor ser la intensidad del efecto magntico producido.

Faraday realiz diferentes experimentos en los cuales el efecto magntico que produca y atravesaba una bobina daba lugar a que se produjera una corriente elctrica en esta bobina. Otro experimento que realiz fue el siguiente: enroll una bobina A en un anillo de hierro dulce circular y sus extremos los conect a un galvanmetro. Enroll otra bobina B en el mismo anillo y sus extremos los conect a una batera. Al conectar el interruptor de la batera empez a circular una corriente por la bobina B. Esta corriente gener un efecto magntico a su alrededor, en particular dentro del anillo de hierro dulce. Como consecuencia, el anillo se magnetiz y el efecto magntico producido cruz tambin a la bobina A. Faraday se dio cuenta, nuevamente, que slo haba movimiento de la aguja del galvanmetro cuando se conectaba y desconectaba la batera. Cuando flua por la bobina B una corriente de valor constante, la aguja del galvanmetro no se mova, lo que indicaba que por la bobina A no haba corriente alguna.

Despus de muchos experimentos adicionales Faraday lleg a una conclusin muy importante. Para ello defini el concepto de flujo magntico a travs de una superficie de la siguiente forma: supongamos que un circuito formado por un alambre conductor es un crculo.

Sea A el rea del crculo. Consideremos en primer lugar el caso en que la direccin del efecto magntico sea perpendicular al plano que forma el crculo (Figura 6) y sea B la intensidad del efecto. El flujo magntico a travs de la superficie es el producto de B con el rea del crculo, o sea, (BA). En segundo lugar consideremos el caso en que la direccin del efecto magntico no sea perpendicular al plano del crculo. Si proyectamos la superficie del crculo perpendicularmente a la direccin del efecto, se obtiene la superficie A'. El flujo magntico es ahora igual a (BA'). Llamaremos al rea A' el rea efectiva. El flujo es, por tanto, igual a la magnitud del efecto magntico multiplicada por el rea efectiva.

Figura 6. A travs de la superficie hay un flujo magntico.

Si el efecto magntico que cruza el plano del circuito de la figura 6 cambia con el tiempo, entonces, de acuerdo con el descubrimiento de Faraday se genera, o como se ha convenido en llamar, se induce una corriente elctrica a lo largo del alambre que forma el circuito.

Sin embargo, Faraday descubri otra cosa muy importante. Lo que realmente debe cambiar con el tiempo para que se induzca una corriente elctrica es el flujo magntico a travs de la superficie que forma el circuito elctrico. Por supuesto que si el efecto magntico cambia con el tiempo, entonces el flujo que produce tambin cambiar. Pero puede ocurrir que el flujo cambie sin que el efecto cambie. En efecto, si el rea efectiva de la superficie cambia, mantenindose el valor del efecto constante, entonces el flujo cambiar. El descubrimiento de Faraday indica que en este caso tambin se inducir una corriente elctrica en el circuito. Una manera de cambiar el rea efectiva del circuito es, por ejemplo, haciendo girar la espira del circuito (Figura 7) alrededor del eje LL, perpendicular al efecto magntico. En este caso el flujo magntico cambia con el tiempo y se induce una corriente en el circuito, sin que el efecto magntico hubiese cambiado.

Vemos claramente que se puede cambiar el rea efectiva de muchas otras maneras. Adems, puede ocurrir que cambien simultneamente tanto el valor del efecto como el rea efectiva con el consecuente cambio del flujo magntico.

Figura 7. Se puede lograr que el flujo a travs de la superficie cambie con el tiempo, hacindola girar alrededor del eje LL. Lo importante es que si el flujo neto cambia entonces se induce una corriente elctrica. Este descubrimiento lleva el nombre de ley de induccin de Faraday y es uno de los resultados ms importantes de la teora electromagntica.

Mientras mayor sea el cambio del flujo, mayor ser el valor de la corriente elctrica que se inducir en el alambre conductor. De esta forma nos damos cuenta de que se pueden lograr valores muy altos de corriente elctrica con slo cambiar el flujo magntico rpidamente. As, gracias a la ley de induccin de Faraday se puso a disposicin de la humanidad la posibilidad de contar con fuentes de corrientes elctricas intensas. La manera de hacerlo fue por medio de generadores elctricos. Recurdese que hasta el descubrimiento de Faraday, las nicas fuentes de electricidad disponibles eran la friccin entre dos superficies y por medio de batera o pilas voltaicas. En cualquiera de estos dos casos las cantidades de electricidad que se obtenan eran muy pequeas.

Como veremos en otros captulos, la ley de induccin ha tenido aplicaciones prcticas que han cambiado el curso de la vida de la humanidad.

Antes de morir Humphry Davy dijo: "Mi mayor descubrimiento fue Michael Faraday."

Para finalizar este captulo queremos destacar algunos aspectos importantes de la investigacin cientfica. En primer lugar, Faraday pudo hacer su descubrimiento porque tena a su disposicin dos elementos fundamentales: la batera o pila voltaica, inventada por Volta no muchos aos antes, y el galvanmetro, inventado por Ampre haca poco tiempo. Sin estos aparatos no hubiera podido hacer ningn descubrimiento. En segundo lugar, Faraday pudo plantearse la pregunta acerca del efecto del magnetismo sobre la electricidad despus de que entendi los descubrimientos tanto de Oersted como de Ampre.

Si no hubiera conocido stos, ni Faraday ni ninguna otra persona hubiese podido plantear dicha cuestin. Estos aspectos son muy importantes, pues el avance de los conocimientos ocurre como la construccin de un edificio: se construye el segundo piso despus de haber construido el primero y as sucesivamente. Se va avanzando en el conocimiento de la naturaleza basndose en descubrimientos e invenciones hechos con anterioridad. Por ello, Isaac Newton una vez expres: "Pude ver ms lejos que otros porque estaba encima de los hombros de gigantes."

La induccin electromagntica, es el fenmeno por ello cual se produce una corriente I en un conductor, debido a las variaciones del flujo magntico que la interceptan. Faraday hacia 1830 descubri este fenmeno el cual se puede realizar por la accin de un imn o por accin de una corriente.

Disponga de una bobina para el caso de la figura 1.

v v = 0

a) Aumenta

b) no varia

c) disminuye

Figura 1

En (a) el imn se mueve hacia la bobina produciendo una corriente elctrica, denominada corriente inducida.

En (b) el imn esta en reposo, entonces no hay corriente.

En (c) el imn se aleja de la bobina induciendo una corriente pero en sentido contrario al sentido del caso (a). Si movemos el imn con mayor rapidez v, la corriente sera ms intensa.

Lo anterior se explica asumiendo que cuando acercamos el polo norte del imn a la bobina, la cantidad de lneas que atraviesan la espira (flujo magntico) aumenta apareciendo una corriente inducida, la que cesa cuando detenemos el imn. Es decir, la corriente dura solo mientras hay variacin del campo.

LEY DE LENZ

El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse mediante sus acciones electromagnticas, a la causa que lo produce.

Se dice que la corriente inducida I en la bobina es producida por una fuerza electromotriz (fem) tambin inducida . Por lo tanto usando la ley de Lenz podemos definir el sentido de la fem inducida.

As en el ejemplo anterior al introducir el polo norte del imn se producir una corriente cuyo campo magntico se opondr al movimiento del imn. Para esto, en el extremo de la espira prximo al imn se debe de formar el polo N cuya repulsin debemos vencer realizando un trabajo que se transforme en corriente elctrica (polo N frente a polo N). Por el contrario al sacar el imn la corriente inducida crea un campo magntico que atrae al imn, para vencer esta atraccin hay que gastar trabajo que se transforma en corriente inducida de sentido contrario al anterior (polo N frente al polo S).

Conociendo los polos de la bobina es posible conocer el sentido de la corriente que circula sobre l.

FUERZA ELECTROMOTRIZ DE LA CORRIENTE INDUCIDA

Experimentalmente Faraday encontr que la fem inducida depende solamente del nmero de espiras de la bobina y de la velocidad con que vara el flujo magntico que la origina.

-M d / dt donde; M = # de espiras.

d = La variacin del flujo magntico.

dt = Tiempo en que se efecta la variacin.

El signo indica que la fem obtenida se opone a la variacin del flujo que la origina.

4. PROCEDIMIENTO

PROPIEDADES MAGNETICAS DE LOS SOLENOIDES

Conoce el solenoide tal como indica el circuito de la figura 2, manteniendo la posicin relativa del solenoide y comps. Cierre la llave y anote la direccin en el Cual el polo norte de la aguja es deflectada. Anote tambin la direccin de la corriente alrededor de la hlice que constituye el solenoide.

Invierta el sentido de la corriente y haga las mismas anotaciones.

solenoide

Comps

Figura 2

Llave de doble inversin

Restato + -

EL PRINICPIO DEL ELECTROIMAN

Coloque el solenoide en direccin Este-Oeste del comps de modo que la aguja no este deflectada mas de 10 con respecto al eje del solenoide cuando la llave este abierta. Cierre la llave y anote la posicin. Invierta la corriente y anote la posicin de la aguja. Inserte ahora el tornillo de metal en el interior de la bobina. Qu observa?

FUERZA ELECTROMOTRIZ

Conecte las terminaciones de un solenoide el galvanmetro como muestra la figura 3. Examine la direccin en la cual el alambre de la bobina esta enrollada. Induciendo el imn tal como se indica en la figura 3, anote la deflexin del galvanmetro, en cada caso (hacia arriba, hacia abajo) y determine de que modo fluye la corriente alrededor de la bobina (horario o antihorario).

Mirando de arriba hacia abajo y moviendo el imn hacia adentro y hacia fuera, observe lo siguiente y regstrelo en su informe:

El efecto de cambiar la rapidez del movimiento del imn.

La polaridad producida en la bobina por la corriente inducida para el movimiento del imn.

La posible aparicin de fuerzas magnticas debidas al movimiento.

solenoide

Fuente de

corriente

Figura 3

FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCTIVA ENTRE DOS CIRCUITOS

Alinee dos solenoides de modo que sus ejes estn paralelos y los enrollamientos estn en la misma direccin (ambos en forma: horaria o antihoraria), como se indica en la figura 4.

El solenoide conectado a una pila se denomina primario o inductor, el otro secundario o inducido.

Con la llave cerrada mover la bobina primaria hacia atrs y hacia delante como se hizo con el imn.

Si la aguja del galvanmetro se delfecta demasiado reduzca la corriente en el primario.

Observe las direcciones de la corriente del secundario y como parte de su informe haga dos diagramas similares al mostrado. En cada uno de los diagramas indicar lo siguiente:

1. La direccin de la corriente del primario.

2. La direccin del movimiento del primario (hacia o desde el secundario).

3. La direccin de la corriente inducida en el secundario (use flechas).

Qu suceder si en lugar del primario mueve el secundario?

Con la bobina primaria cerca de la secundaria, vare la corriente en el primario bruscamente, abriendo y cerrando el circuito. Observe la amplitud relativa de deflexin de la aguja del galvanmetro. Registre sus observaciones en dos diagramas de una manera similar a la sugerida anteriormente mostrando en estos casos cuando la llave ha sido cerrada y cuando ha sido abierta.

primariosecundario

Llave de

doble inversin

Figura 4

Restato + -

5. CUESTIONARIO

1. Qu relacin observa usted entre la conducta de un solenoide por el que pasa una corriente elctrica y un imn de una barra?

En el solenoide, el cual se conecta una fuente de corriente, se obtiene una polaridad entre sus extremos comportndose como un imn de barra al poseer en sus extremos polos Norte y Sur magnticos. Esto se puede comprobar con el uso de un comps cerca del solenoide.

2. Mencione por lo menos dos reglas prcticas para determinar la polaridad de un solenoide que leva corriente elctrica.

1. Se le puede acercar un comps a uno de los extremos del solenoide y se observa lo que ocurre, si la aguja oscura es rechazada por el solenoide quiere decir que ese extremo es el extremos norte magntico, de lo contrario lo atraer y ser el polo sur magntico.

2. Por medio de la regla de la mano derecha, sabiendo la direccin o sentido de la corriente elctrica, se puede hallar la polaridad del solenoide.

3. Qu efecto produce la insercin de una varilla de metal en el interior de una bobina que lleva una corriente elctrica? Cmo sera la configuracin de las lneas de fuerza magntica?

Al ingresar la varilla de metal dentro de la bobina por la cual pasa corriente, a su vez dentro del solenoide, la varilla de metal generar un campo de la misma polaridad del campo que genera el solenoide, es decir generar corriente en el mismo sentido que el solenoide, y a su vez aumentar su intensidad.

Las lneas de fuerza dentro del solenoide seran en este caso de naturaleza radial propiciando que la barra o varilla de metal quedara adherida al solenoide.

: Representa las lneas

de fuerza magntica

dentro del solenoide.

Vista de perfil del solenoide con la varilla adentro

4. Usando la ley de Lenz indique el sentido de la corriente elctrica y la polaridad en el solenoide de la figura 3, cuando el imn se aleja. Explique.

Por medio de la ley de Lenz decimos que:

Debido a que el imn se aleja del solenoide las lneas que atravesaban el interior del solenoide irn disminuyendo, es decir hay una variacin del flujo magntico, lo cual induce una corriente elctrica debido a una fuerza electromotriz inducida. La fem inducida surge de tal manera que sus efectos se oponen al cambio de flujo magntico inductor. En este caso cuando el imn se aleja de nuestro solenoide el sentido de la corriente inducida es horario y la polaridad del solenoide ser como se muestra en la figura:

v

I

Polo sur magntico

5. De la figura 4, con la llave cerrada, y con la idea de que el flujo magntico en el secundario aumenta o disminuya a medida que acerquemos o alejemos el primario, enuncie la regla practica para determinar la polaridad del inducido.

Sabiendo la polaridad del primario, cuando acercamos el primario al secundario tiene el mismo efecto como cuando acercamos un imn a una solenoide conectado a un galvanmetro, el sentido de la corriente es el contrario al del inductor por ley de Lenz y la polaridad del inducido se puede determinar por medio tambin de la ley de Lenz, cuando se acerca el imn, o electroimn en este caso, al solenoide y si sabemos cual es la polaridad del extremo que acercamos tendremos que la polaridad de ese extremo del inducido es la misma que la del inductor y al alejarla ser la contraria. Es decir:

V

primarioI I secundario

V

I I

primario secundario

6. CONCLUSIONES

1. Al conectar un solenoide a una fuente de energa lo que se esta construyendo es un electroimn debido a que el solenoide gana polaridad en sus extremos, es decir aparecen en el los polos Sur y Norte e el solenoide.

2. El sentido de la induccin de corriente del solenoide secundario depende de la orientacin de las espiras del solenoide primario.

3. La polaridad del electroimn se puede comprobar de manera fcil acercando un comps hacia uno de sus extremos.

4. Cuando se coloca una varilla de metal dentro del solenoide con la llave cerrada, es decir con la corriente fluyendo a traves de el, la varilla se adhiere al solenoide por lo que concluimos que en el interior del solenoide existe una fuerza magntica que mantiene pegada a la varilla.

7. BIBLIOGRAFIA

Paginas web visitadas:

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/sec_7.htm

http://alipso.com/monografias/inelecmagne/

http://pdf.rincondelvago.com/induccion-electromagnetica_1.html

ing.unne.edu.ar/pub/tema5fi.pdf

Experiencia N 9

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