INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y TRANSFORMADORES Primera Parte OBJETIVO Efecto Faraday. INTRODUCCIÓN Desde el descubrimiento del efecto Oersted se comenzó a estudiar la posibilidad de la existencia del efecto inverso. El físico ingles Michael Faraday y el norteamericano Joseph Henry descubrieron en forma totalmente independiente y prácticamente al mismo tiempo el efecto e fecto que hoy se conoce como efecto Faraday. El descubrimiento fue en 1831, once años después de descubrirse el efecto Oersted. Podría parecer que transcurrió mucho tiempo para concebir un experimento que hoy nos parece tan fácil entender y, lo que es mas, es tan sencillo de reproducir. Pero debemos ubicarnos en la época. Existían laboratorios con materiales eléctricos pero eran escasos, además, el material era fabricado por el propio investigador. Lo mas complicado era que el investigador no tenia idea de la magnitud del fenómeno que iba ha observar. Entonces la construcción de instrumentos, el tamaño de los circuitos, la duración del fenómeno era variable que debían analizarse una a una y se avanzaba muy lentamente. Para lograr el efecto de inducción electromagnética basta con meter y sacar un imán en una bobina. Es decir, el movimiento relativo de un alambre y un campo magnético induce un voltaje en los terminales del alambre. En este caso la magnitud del voltaje inducido depende del ritmo con que son cortadas las líneas de campo magnético por el alambre. También veremos que la magnitud inducida dependerá del número de espiras con que cuente la bobina. El fenómeno de la inducción electromagnética se puede resumir en un enunciado conocido como Ley de Faraday: El voltaje inducido en una bobina es proporcional al producto del número de espiras y la razón de cambio del campo magnético dentro de dichas espiras.
MATERIALES Una batería de 12 v - Un trozo de fierro dulce - Un imán recto – Dos bobinas, una de 900 y la otra de 300 espiras - Un galvanómetro - Una brújula - Cables de conexión. ACTIVIDADES 1. Realice el montaje de la figura nº1. Utilice la bobina de 300 espiras. Galvanometro Figura 1
Imán Bobina
2. Introduzca rápidamente el imán en la bobina. ¿Que observa? 3. Saque el imán rápidamente. ¿Que observa?
4. Repita lo anterior, utilizando el otro polo del imán. Anote sus observaciones. 5. Repita lo anterior aumentando la rapidez del movimiento del imán. 6. Repita todo lo anterior, utilizando la bobina de 900 espiras. Anote sus observaciones. 7. Realice el montaje de la figura nº2. Sin conectar la batería. Utilice como bobina 1 la de 900 espiras y como bobina 2 la de 300 espiras.
Galvanometro
Figura 2
Bateria Bobina 1 Bobina 2
8. Junte las bobinas
y de
un toque, solo uno, a la batería de tal forma que circule corriente por un instante por la bobina 2. Anote lo que observa. 9. Introduzca el trozo de hierro dulce entre las bobinas, conecte y desconecte la batería. Anote lo que observa.
Segunda Parte OBJETIVO 1. Aplicar el efecto de inducción magnética para estudiar el funcionamiento del transformador eléctrico. 2. Verificar que para las tensiones se cumple la relación; 3. Verificar que para las corrientes se cumple la relación;
V p
=
N p
V s i p
N s =
i s
N s N p
. .
INTRODUCCIÓN La inducción magnética se produce cuando el flujo magnético a través de un área esta variando en el tiempo. Si hay un conductor que rodea esa área, entonces en el se inducirá una fem que originara una circulación de corriente eléctrica. La aplicación de la ley de Lenz a tal circuito indicara cual será el sentido correcto de esa corriente inducida. Un transformador se compone idealmente de dos bobinas separadas eléctricamente, que van montadas en un núcleo de hierro especial que sirve para conducir el flujo magnético entre ambas bobinas. Su funcionamiento está basado en la ley de Faraday. Al primario del transformador se le conecta una fuente de corriente alterna, de esta forma produce un flujo magnético variable en el tiempo que enlazara a la bobina secundaria a través del núcleo de fierro e inducirá una fem en la bobina secundaria. El voltaje y la corriente secundaria dependen de la razón del número de vueltas de alambre en las dos bobinas y de la magnitud del voltaje y/o corriente (según corresponda) de la bobina primaria. La fem inducida en el secundario puede ser mayor, menor o igual que la magnitud del primario, esto dependerá de la razón del numero de espiras. Núcleo de hierro
Bobina
Bobina
Primaria
Secundari
Un transformador incluye dos bobinas de alambre Aislado, devanado alrededor de un núcleo de hierro.
MATERIALES Fuente de poder alterna - Dos bobinas (una de 900 y otra de 300 espiras) - Amperímetro - Tester Digital Cables de conexión. ACTIVIDADES 1.
Realice el montaje de la figura . Utilice las bobinas de 300 espiras en el primario y de 900 espiras en el secundario. Varíe la tensión de la fuente, y realice una tabla de valores Vp v/s Vs. Realice solo cinco variaciones. Recuerde, la fuente de poder a utilizar es de corriente alterna, ¿Por qué? Voltimetro Fuente de AC ä 750
Scie nce Workshop 1
2
3
DIGI T AL CHANNELS
A
B
4
- 025.4 C OUTPU T
ANALOG CHANNELS
Transformador
2.
Conecte un amperímetro entre la fuente y el primario, y al secundario conecte otro amperímetro. Varíe la fuente y obtenga una tabla de valores i p v/s is. Realice solo 5 variaciones.
ANALISIS DE RESULTADOS Utilizando las tablas de valores obtenidas, realice los gráficos respectivos y analice las curvas obtenidas. ¿Se cumplen las expresiones planteadas en el objetivo?. Justifique. ¿Qué sucedería si utilizamos como primario la bobina de 900 espiras y como secundario la bobina de 300 espiras?. ¿Qué sucedería en nuestro experimento si el núcleo de hierro no esta cerrado magnéticamente?. Es decir como muestra la siguiente figura:
