TRABAJO PRÁCTICO Nº6: MEGNETISMO E INDUCCION.

OBJETIVOS:

Observar la fuerza sobre un alambre con corriente en presencia de un campo magnético Comprender el comportamiento de distintos tipos de materiales ante la presencia de un

campo magnético. Verificar la presencia de corrientes parasitas inducidas en un conductor en movimiento en

presencia de un campo magnético. Observar la inducción en objetos en movimiento en presencia de un campo magnético.

MARCO TEÓRICO:

El magnetismo

El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

Campo magnético

El campo magnético es una región de espacio en la cual una carga eléctrica puntual de

valor q, que se desplaza a una velocidad , sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y

proporcional tanto a la velocidad v como al campo B. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita

con la siguiente igualdad.

donde F es la fuerza, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción

magnética y densidad de flujo magnético. (Nótese que tanto F como v y B son magnitudes

vectoriales y el producto vectorial tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como

a B). El módulo de la fuerza resultante será

El sentido de la fuerza resultante ser:

q= carga V = velocidad B= campo magnético

La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias

a la propiedad localizada en el espacio de orientar

un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar

libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la

existencia del campo magnético terrestre, puede ser

considerada un magnetómetro.

Inducción magnética

La inducción magnética o densidad de flujo magnético, cuyo símbolo es B, es el flujo

magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y en algunos textos

modernos recibe el nombre de intensidad de campo magnético, ya que es el campo real.

La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el tesla.

Está dado por:

donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga que se mueve a una velocidad

v a una distancia r de la carga, y ur es el vector unitario que une la carga con el punto donde se

mide B (el punto r).

O bien:

donde B es la densidad del flujo magnético generado por un conductor por el cual pasa una

corriente I, a una distancia r.

La fórmula de esta definición se llama Ley de Biot-Savart, y es en magnetismo la

equivalente a la Ley de Coulomb de la electrostática, pues sirve para calcular las fuerzas que

actúan en cargas en movimiento.

Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza

electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o

bien en 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 quien lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido 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.

La ley de inducción de Faraday establece que la Fuerza Electromotriz inducida en un

circuito es igual a menos la derivada del flujo magnético con respecto del tiempo.

Matemáticamente se puede expresar como:

donde:

= Fuerza electromotriz en voltios

Φ = Flujo magnético en weber

t = Tiempo en segundos

y el signo − es debido a la Ley de Lenz.

Corrientes parasitas

La corriente de Foucault (corriente parásita o "Corrientes torbellino" en ingles) es un

fenómeno eléctrico descubierto por el físico francés León Foucault en 1851. Se produce cuando un

conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una

circulación de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de

Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo

magnético aplicado (ver Ley de Lenz). Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, o

mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores

serán las corrientes de Foucault y los campos opositores generados.

En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las

variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones inducidas son

causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas corrientes de Foucault), que

no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.

Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Más

concretamente, dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética, en calor

no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil, cuando no perjudicial. A su vez

disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como

los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas

utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (como por

ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de material magnético, conocidas como laminados.

Los electrones no pueden atravesar la capa aisladora entre los laminados y, por lo tanto, no

pueden circular en arcos abiertos. Se acumulan cargas en los extremos del laminado,

produciendo campos eléctricos que se oponen a una mayor acumulación de cargas y a su vez

eliminando las corrientes de Foucault. Mientras más corta sea la distancia entre laminados

adyacentes (por ejemplo, mientras mayor sea el número de laminados por unidad de área,

perpendicular al campo aplicado), mayor será la eliminación de las corrientes de Foucault y, por lo

tanto, menor el calentamiento del núcleo.

Si hacemos oscilar un péndulo constituido por una placa de cobre, entre los polos de

un electroimán se observará que se va frenando hasta pararse por completo, produciéndose este

efecto más rápidamente cuanto mayor sea la intensidad del campo. Al tratarse de una placa de

cobre, material no magnético, el frenado del péndulo no es debido a la atracción de los polos del

imán.

Lo que sucede es que en la placa, al cortar el flujo entre las piezas polares, se induce

una fuerza electromotriz, según predice la ley de Lenz. Como el cobre es un buen conductor y la

placa ofrece una gran sección al paso de la corriente, su resistencia óhmica es pequeña y las

corrientes inducidas intensas. Estas corrientes, se oponen a la acción del origen que las produce,

esto es, la propia oscilación del péndulo, por tanto, actúan de freno.

Paramagnetismo

El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales)

a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están

fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo o ferrimagnetismo. Cuando

no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están orientados al azar.

En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse paralelamente al campo, pero

esta alineación está contrarrestada por la tendencia que tienen los momentos a orientarse

aleatoriamente debido al movimiento térmico.

Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a

fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo

mismo, una susceptibilidad magnética positiva y muy pequeña.

En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento

magnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales ferromagnéticos, este

comportamiento también puede observarse, pero sólo por encima de su temperatura de Curie.

Se denomina materiales paramagnéticos a los materiales o medios cuya permeabilidad

magnética es similar a la del vacío. Estos materiales o medios no presentan en ninguna medida el

fenómeno de ferromagnetismo. En términos físicos, se dice que su permeabilidad magnética

relativa tiene valor aproximadamente igual a 1.

Algunos materiales paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio.

Diamagnetismo

En electromagnetismo, el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste

en ser repelidos por los imanes. Es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos los cuales son

atraídos por los imanes. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera

vez en septiembre de 1845 por Michael Faraday cuando vio un trozo de bismuto que era repelido

por un polo cualquiera de un imán; lo que indica que el campo externo del imán induce un dipolo

magnético en el bismuto de sentido opuesto.

MATERIALES:

Alambre. Fuente de voltaje. Dos imanes. Distintas láminas conductoras. Barrita de aluminio. Barrita de vidrio. Soporte.

DESARROLLO:

EXPERIENCIA N°1:

Colocamos en el seno de un campo magnético, un material paramagnético (aluminio), y llegamos a

observar casi instantáneamente, que el material se alineaba con el campo magnético.

También observamos que si giramos el campo alrededor del trozo de aluminio, éste rotaba, hasta

alinearse con el campo.

Luego repetimos la experiencia pero esta vez, en el seno del mismo campo magnético, se

colocamos un material diamagnético (vidrio); y el efecto en este caso fue que el material comenzó

a rotar en el seno de dicho campo, hasta que al luego de un tiempo, se detuvo en forma

perpendicular al campo.

Al mover el campo alrededor del trozo de vidrio, el mismo se acomodaba nuevamente hasta

quedar perpendicular al campo.

EXPERIENCIA N°2:

Conectamos el alambre a una fuente de voltaje continuo (12V) entre los polos del imán; y procedimos a analizar el sentido de la fuerza magnética; ya que observamos que este era empujado hacia un lado del soporte debido a dicha fuerza.

Cambiamos la polaridad de la fuente y observamos que el alambre era empujado o desviado de igual manera pero en el sentido contrario.

De esta manera podemos predecir el sentido de la fuerza magnética ya que la misma depende siempre del sentido de la corriente.

También verificamos que la fuerza inducida sobre el alambre depende de la distancia entre los polos del imán, es decir de la intensidad del campo.

EXPERIENCIA N°3:

Ubicamos los polos del imán separados de tal forma que pueda oscilar una lámina entre ellos, con el objetivo de poder estudiar la presencia de corrientes parasitas.

Colocamos una lámina de aluminio de superficie maciza en el soporte; impulsamos el movimiento oscilatorio, la lámina al atravesar el seno del campo magnético se detuvo en forma casi instantánea.

Seguidamente, colocamos a oscilar de igual manera una lámina estriada de aluminio, y cuando la misma atravesó el campo magnético también se freno pero esta vez tardó un poco más en hacerlo que la primera lámina de aluminio. Esto se debe a que al haber menos materia (debido al estriado), existen menos corrientes parasitas.

Finalmente, situamos como en las dos veces anteriores, una lamina de aluminio de forma similar a la de un peine; al comienzo del movimiento pendular, esta lámina atravesó el campo magnético, pero no se observó ningún efecto de frenado, es decir, la lámina continuó con su movimiento hasta situarse en su posición de equilibrio.

El motivo por el cual esta lámina no se frena es que al tener una terminación tipo peine, no pueden circular corrientes parásitas a lo largo del material debido a que el circuito no está cerrado.

CONCLUSIÓN:

Llegamos a la conclusión que cuando un alambre es sometido a un campo magnético se genera una fuerza, cuyo sentido que depende del sentido de la corriente y su magnitud de la intensidad del campo.

También se verificó la presencia de corrientes parasitas inducidas en un conductor en movimiento en presencia de un campo magnético, por medio de la desaceleración que el movimiento presenta al atravesar el campo magnético, siendo ahí en donde se generan estas corrientes.

Y finalmente se pudo comprender el comportamiento de los materiales diamagnéticos y paramagnéticos. Siendo que los diamagnéticos se ubican de manera perpendicular al campo magnético, y los paramagnéticos tienden a alinearse con el campo.