FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

PROYECTO FINAL DE FISICA III: “EFECTO DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE APLICADA SOBRE LA INDUCCIÓN MAGNÉTICA GENERADA POR UN

ELECTROIMÁN”

PROFESOR: FLORES MOSCOL FREDY JULIO

AUTORES:

ROGER LOPEZ MAURICIO

MIGUEL HERRERA GERMAN

CARLOS NUÑERA ATALAYA

PAOLA RAMIREZ PEÑA

SANTIAGO SANCHEZ RODRIGUEZ

TRUJILLO - PERÚ

2014

RESUMEN

En el presente trabajo de investigación, se evaluó el efecto de la intensidad de corriente

aplicada sobre la inducción magnética generada por un electroimán.

Para la toma de datos, se utilizó una fuente de alimentación que suministra corriente

eléctrica de 2 A hasta 8 A, cuando el circuito se cierra (todas las conexiones en su lugar) y

se enciende la fuente, el periodo del ensayo no sobrepasa los 10 segundos. Probetas

(electroimanes) con tipo de núcleo diamagnético (en total 9 tornillos), el número de espiras

o vueltas alrededor del núcleo de 400 (por cada capa 40 vueltas y en total 10 capas) y una

longitud axial del electroimán de 5.4 cm. La determinación de la inducción magnética de

estas probetas se realizó analíticamente.

Los resultados demuestran que el rango de intensidad de corriente para generar apropiada

inducción magnética se encuentra entre 2 y 5 A, donde los valores de inducción magnética

son 0.035 y 0.073 T respectivamente. Asimismo, el rango apropiado de intensidad de

corriente para generar campo magnético es igual que el anterior, y sus valores de campo

magnético son 2.83E+04 y 5.67E+04A/m respectivamente.

Como referencia, para la altura de impulso del imán natural, su altura máxima es 15.53

cm con intensidad de corriente de 7.71 A e inducción magnética de 0.073 T, y para la altura

de estabilidad del imán natural, llega a 5.50 cm con intensidad de corriente 7.81 A e

inducción magnética de 0.073 T.

De lo anterior se infiere que la corriente aplicada para generar inducción magnética tiene un

rango de amperaje y también sucede para que el imán natural levite. Por último se debe

controlar la intensidad de corriente suministrada, ya que al suministrar más corriente al

electroimán ya no generara más inducción magnética y por lo tanto la altura de levitación

del imán natural no aumentará.

ÍNDICE

Resumen...........................................................................................................................i

Índice..............................................................................................................................iii

Lista de tablas.................................................................................................................iv

Lista de figuras................................................................................................................v

Lista de fotografías..........................................................................................................x

I. INTRODUCCIÓN

1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA

Los electroimanes se usan en muchas situaciones de la vida cotidiana en las que se necesita un

campo de inducción variable. Son componentes esenciales de muchos interruptores, siendo

usados en frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los

frenos electromagnéticos se adhieren directamente a los rieles y se usan electroimanes muy

potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, así como separar

magnéticamente metales en chatarrerías y centros de reciclaje.

Así también se usan en motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético

rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que impulse la

armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es el más usado a

menudo debido a su bajo costo, y a veces se emplea aluminio para reducir el peso.

Pese a que el uso de éstos de mucha importancia, hay escasa información que nos mencione de

la potencia, corriente, voltaje o campo generado; lo cual genera en pérdidas de eficiencia, de

equipos o instrumentos durante su uso.

También, en la ciudad de Trujillo existen muchos talleres mecánico-eléctricos donde su

personal son técnicos empíricos a la cual dan solución a los motores eléctricos, frenos y

embragues electromagnéticos y entre otros dispositivos que funcionan con un electroimán, de

manera temporal y no duradera, perdiendo en forma gradual su eficiencia de funcionamiento

del electroimán, ya que no cuentan con la información adecuada sobre inducción magnética y

caracterización de un electroimán como puede ser el números de vueltas del embobinado, tipo

de material del núcleo si es necesario para mantener o aumentar el campo magnético y la

inducción magnética, y entre otros características de mucha importancia, logrando una eficacia

de los dispositivos electromagnético a operar.

1.2. FUNDAMENTO TEORICO

A. CAMPOS MAGNÉTICOS

El magnetismo tiene una naturaleza dipolar, siempre hay dos polos magnéticos separados a una

distancia determinada y este comportamiento se extiende hasta los pequeños dipolos

magnéticos encontrados en algunos átomos.

El campo magnético se produce por materiales imanados (metales como Fe, Co, Ni) o por

conductores portadores de corriente eléctrica.

El campo magnético de una barra imantada (fig. 1.1) se puede observar (espolvoreando

limaduras de hierro) mediante las líneas de campo magnéticos, donde salen por el polo

Fig. 1.1 Líneas de campo magnético para dos imanes que se repelan (I) o se atraen (II). [6]

Los campos magnéticos también son producidos por conductores portadores de corriente. La

figura 1.2 muestra la formación de un campo magnético alrededor de una larga bobina de hilo

de cobre, llamada solenoide. La ecuación (1) proporciona la intensidad del campo magnético

(H) para un solenoide de “n” vueltas y longitud “l” : [4]

…………………………………. (1)

Dónde:

H : intensidad del campo magnético [A - vuelta/m]

l : longitud de la bobina [m]

I : intensidad de la corriente [A]

Fig. 1.2 Campo magnético creado alrededor de una bobina de hilo de cobre (solenoide). [8]

a.1 Efecto magnético de la corriente eléctrica

Las líneas de fuerza son concéntricas al conductor (fig. 1.3), y su densidad disminuye a medida que

nos alejamos de él. La intensidad del campo magnético producido por una corriente eléctrica es

directamente proporcional a la intensidad de esa corriente. Si observamos el conductor en la

dirección de la corriente, las líneas de fuerza de campo obtenido giran alrededor del conductor en el

sentido de las agujas del reloj. [7]

Fig. 1.3 Campos magnéticos alrededor de conductores atravesados por una corriente eléctrica. [7]

B. ELECTROMAGNETISMO

En 1820 el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que entre el magnetismo y las cargas de

la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación (fig.1.4).

Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se encuentran en movimiento en esos

momentos, originan la aparición de un campo magnético a su alrededor.

Fig. 1.4 Efecto magnético de corriente en: a) sin corriente la brújula apunta hacia el norte y

b) cuando hay corriente la brújula se mueve y casi se alinea perpendicular al cable. [11]

A un solenoide le aplicamos una tensión o voltaje creará un campo magnético más intenso que

el que se origina en el conductor normal de un circuito eléctrico.

La misma bobina con núcleo de aire le introducimos un trozo de metal como el hierro, el

núcleo ahora metálico (fig. 1.5), provocará que se intensifique el campo magnético y actuará

como un imán eléctrico (electroimán), con el que se podrán atraer diferentes objetos metálicos

durante todo el tiempo que la corriente eléctrica se mantenga circulando por las espiras del

enrollado de alambre de cobre. [8]

Fig.1.5 Bobina solenoide con núcleo metálico para intensificar los campos magnéticos. [8]

Existen materiales naturales o sintéticos que crean campo magnético. Los campos creados por

los materiales magnéticos surgen de dos fuentes atómicas: (1) los momentos angulares

orbitales y (2) de espín de los electrones, que al estar en movimiento continuo en el material

experimenta fuerzas ante un campo magnético aplicado.

Los materiales magnéticos se caracterizan por su permeabilidad (μ), la relación entre el campo

de inducción magnética (B) y el campo magnético dentro del material (H) dada por la ecuación

(2):

………………………………. (2)

Dónde:

B : inducción magnética [T ó Wb/m2]

μ : permeabilidad en un material [Wb/A-m]

La permeabilidad (μ) de la ecuación (1.3) se obtiene del producto entre la permeabilidad

relativa del material (μr) y la permeabilidad del vacío (μo):

………..….………………… (1.3)

Donde la permeabilidad relativa no tiene unidades y μo = 4π x 10-7 Wb/Amp-m

El diamagnetismo es una forma muy débil de magnetismo que no es permanente y persiste sólo

mientras el campo externo está presente. La magnitud del momento magnético inducido es

extremadamente pequeña y en una dirección opuesta a la del campo aplicado.

La permeabilidad relativa μr es menor que la unidad y la susceptibilidad magnética es negativa.

El diamagnetismo fue descubierto por Faraday en 1846. Ejemplos de materiales diamagnéticos

son el Cu y He.

1.3 PROBLEMA

¿En qué medida ocurre el efecto de la intensidad de corriente aplicada sobre la inducción

magnética generada por un electroimán?

Fig. 1.10 Esquema de investigación experimental de inducción magnética.

Generación del campo magnético

Intensidad de corriente

Inducción magnéticaElectroimanes

1.4 HIPOTESIS

A medida que aumenta la intensidad de corriente se generará un mayor efecto de inducción

magnética en el electroimán.

1.5 OBJETIVOS

A. OBJETIVO GENERAL

1. Determinar el efecto de la intensidad de corriente aplicado sobre la inducción

magnética generado por un electroimán.

B. OBJETIVO ESPECÍFICO

2. Calcular la intensidad de inducción magnética generado por un electroimán con

corriente continua.

3. Preparar el electroimán bajo las condiciones apropiadas de embobinado a ensayar.

4. Preparar y acondicionar el circuito de ensayo experimental.

5. Determinar el campo magnético generado por un electroimán con corriente

continua.

6. Determinar la altura de impulso y la altura estable o levitación del imán natural

producido por la inducción magnética del electroimán.

1.6 IMPORTANCIA

Existen en el ámbito científico, industrial, técnico y doméstico dispositivos que emplean

electroimanes con diversas finalidades. Por esta razón es importante que se siga investigando

su funcionamiento.

Así también presentar a la comunidad científica y tecnológica, información que sumará a datos

recogidos en otras investigaciones y con la ejecución de este trabajo se comprobará la validez

de los resultados experimentales encontrados en la literatura técnica.

II. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. MATERIALES

Fig. 2.1 Electroimán fabricado.

Características del electroimán:

Nº de tornillos = 10

Nº de vueltas = 400

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Campo magnético generado por los electroimanes

Tabla Nº 3.1. Campo magnética de los electroimanes con diferentes intensidades de corriente

Valores de los campos magnético e inducción magnética de los electroimanes con nº de vueltas 240.

Intensidad de corriente

(A)

Voltaje (V)

Campo Magnético

(A/m)

Campo Magnéticopromedio

(A/m)

Inducción Magnética

(T)

InducciónMagnética

promedio (T)

6.32 7.15 2.81E+04 0.0356.38 7.17 2.84E+04 0.0366.42 7.25 2.85E+04 0.036

1.1. Dimensiones del electroimán Altura: 5.4 cm 0.054 Diámetro: 5.7 cm 0.057 Numero de vueltas: 240 240

2.83E+04 0.036

Valores de los campos magnético e inducción magnética de los electroimanes con nº de vueltas 400.

Intensidad de corriente

(A)

Voltaje (V)

Campo Magnético

(A/m)

Campo Magnéticopromedio

(A/m)

Inducción Magnética

(T)

InducciónMagnética

promedio (T)

7.46 10.22 5.53E+04 0.0697.81 10.97 5.79E+04 0.0737.71 10.92 5.71E+04 0.072

1.1. Dimensiones del electroimán Altura: 5.4 cm 0.054 Diámetro: 7.1 cm 0.071 Numero de vueltas: 400 400

0.0715.67E+04

Cálculo de la inducción magnéticaDonde:μ : permeabilidad en un material (Wb/ A-m)μ r : permeabilidad relativa del material μ r (Cu) = 0.99999 0.99999μo

: permeabilidad del vacío (Wb/ A-m) 1.25664E-06

3.2. Altura de impulso del imán natural debido a la inducción magnética generada por el

electroimán.

Valores de levitación de impulso y levitación estable de los electroimanes con nº de vueltas 240.

Intensidad de corriente

(A)

Voltaje (V)

Levitación de Impulso

Levitación de Impulso

promedio (cm)

Levitación Estable

(cm)

Levitación Estable promedio

(cm)

6.32 7.15 13.50 5.0006.38 7.17 14.00 5.0006.42 7.25 14.00 4.800

13.83 4.933

Valores de levitación de impulso y levitación estable de los electroimanes con nº de vueltas 400

Intensidad de corriente

(A)

Voltaje (V)

Levitación de Impulso

Levitación de Impulso

promedio (cm)

Levitación Estable

(cm)

Levitación Estable promedio

(cm)

7.46 10.22 15.50 5.3007.81 10.97 15.30 5.1007.71 10.92 15.80 5.500

15.53 5.300

Tabla Nº 3.2. Altura de impulso del imán natural debido a la inducción magnética por el

electroimán.

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1. CONCLUSIONES

1. Se logró evaluar experimentalmente la relación causa – efecto de la intensidad de

corriente aplicada sobre la inducción magnética generada por el electroimán a través

del multitester y con sustento matemática de las fórmulas de inducción magnética.

2. Se obtuvieron valores óptimos de intensidad de corriente aplicada para generar

inducción magnética por los electroimanes que son de 6 a 8 A y con 0.035 a 0.073

T, respectivamente.

4.2. RECOMENDACIONES

1. Realizar la inducción magnética con otras características de electroimanes,

como la forma, el núcleo (tipo de material), el número de vueltas, el

diámetro del alambre de Cu esmaltado y la longitud axial del electroimán

por fabricar.

2. Realizar la inducción magnética generada por los electroimanes con

corriente alterna.

3. Se logre la motivación de realizar más proyectos de investigación y que

contribuyan con la enseñanza, investigación y extensión universitaria de esta

nueva línea de Materiales Electrónicos.

V. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

[1] Belinchón de Diego, J.; (2008). “Estudio comparativo espectroscopia por

resonancia magnética-anatomía patológica en el tratamiento de los tumores

cerebrales”. Universitat de Valencia - España, Edit. Servei Publicacions, pp 15 –

20.

[2] Florio, M. y Curotto, M.; (2006). “Levitación Magnética”. [on line]. Disponible

en:

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

electr.htm. [Consulta] Marzo 2010.

[3] Olarte Hernández T, y Tamayo Holguín J.; (2007). “Levitador

electromagnética”. [on line]. Disponible en:

http://ingenieria-matematica.eafit.edu.co/biblioteca/trabajos_estudiantes

/trabajo_levitador_electromagnetico.pdf [Consulta] Marzo 2010.

[4] “Teorías Modernas Del Campo Electromagnético”. [on line]. Disponible en:

http://exa.unne.edu.ar/depar/areas/fisica/electymagne/TEORIA/elecmagnet/

campo/CONCEPTO2.htm#El%20descubrimiento%20de%20las%20ondas

%20electromagnéticas. [Consulta] Marzo 2010.

[5] “Materiales Mágneticos”. [on line]. Disponible en:

http://materias.fi.uba.ar/6209/download/4-Materiales%20Magneticos.pdf.

[Consulta] Marzo 2010.

[6] “Levitación Magnética y Superconductividad”. [on line]. Disponible en:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/materiales/superconductor/

superconductor.html [Consulta] Abril 2010.

[7] Tomo 8: “Ciencia y Tecnología”, Enciclopedia Temática Multimedia (2007)

Ediciones Credimar, Barcelona – España, pp. 86.

[8] “Que es el electromagnetismo”. [on line]. Disponible en:

http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_3.htm

[Consulta] Abril 2010.

[9] “ELECTROMAGNETISMO”. [on line]. Disponible en:

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/

sec_11.htm [Consulta] Abril 2010.

[10] Paul M.; (2001). “Electricidad y Electrónica”, Biblioteca de la Ciencia de

Oxford. Volumen 6. Edición Grupo La República, Lima – Perú. pp. 15.

[11] “ORIGEN ELECTRICO DEL MAGNETISMO” [on line]. Disponible en:

http://www.utp.edu.co/php/revistas/ScientiaEtTechnica/docsFTP/111329187-

192.pdf [Consulta] Abril 2010.

VI. PANEL FOTOGRAFICO:

Fig. 5.1. Bobina de 40 vueltas con 10 capas

Fig. 5.2. Bobinas para el ensayo

Fig. 5.3. Realizando los ensayos en bobina de 400 vueltas

Fig. 5.4. Realizando los ensayos en bobina de 240 vueltas