ANILLOS DANZANTES C. C. Cerón 1 G. A. salazar2 L. F. Jimenez3 1Ing. Sistemas, FIET, Universidad de Cauca,
[email protected] 2Ing. Sistemas, FIET, Universidad de Cauca,
[email protected] 3Ing. Sistemas, FIET, Universidad de Cauca,
[email protected] Fecha de realización 02 de febrero de 2012, Fecha de entrega 10 de febrero de 2012 RESUMEN Para realizar esta práctica se necesitó una bobina con núcleo de hierro saliente, una fuente de voltaje AC, anillos metálicos de distintos materiales y un cable con una bombilla. Lo primero que se hizo fue graduar la bobina con 600 vueltas y conectarla con la fuente graduada en 60 VRMS, luego en la parte del núcleo que sobresalía se introdujeron los distintos anillos y el cable con la bombilla y se observó su comportamiento. Luego se graduó la bobina en 900 vueltas y se observaron los cambios obtenidos con cada uno de los objetos. 1. INTRODUCCIÓN El propósito principal de este laboratorio es encontrar las diferencias básicas entre los fenómenos producidos por las cargas estacionarias que producen campos eléctricos y las cargas móviles que producen campos magnéticos. Además de estudiar los campos eléctricos que se originan de los campos magnéticos variables. Queremos entender las deducciones hechas por Michael Faraday a través de sus experimentos que lo llevaron a formular la ley que lleva su nombre. Esta ley señala que la magnitud de la fuerza electromotriz inducida es igual a la tasa de cambio con respecto al tiempo del flujo magnético a través del circuito. Estudiaremos el caso en que una fuerza electromotriz inducida puede producirse en un lazo cerrado de alambre cuando este
se mueve en un campo magnético y además las diferencias en la inducción sobre aros de diferente material.
2. MARCO TEÓRICO 2.1.La ley de Faraday o ley de Inducción Magnética Las observaciones y discusiones del físico inglés Michael Faraday, acerca de los fenómenos eléctricos y magnéticos lo condujeron a la formación de uno de los más importantes resultados de la física clásica. Considérese por un instante la situación que se tiene hasta este momento con respecto a los campos eléctricos y magnéticos. Por un lado, se tienen los fenómenos eléctricos cuyas propiedades se entienden en términos de cargas eléctricas
y campos eléctricos. Por otro lado está el campo magnético, que, de acuerdo a la ley de Biot-Savart, es producido por corrientes eléctricas, es decir por cargas en movimiento, además, con la modificación de Maxwell, se tiene que el campo magnético puede obtenerse por variaciones de campos eléctricos. La situación es entonces tal que existe una falta simetría entre campos eléctricos y magnéticos, pues parece ser que los primeros juegan un papel más fundamental que los segundos. Los trabajos de Faraday tenían como intención principal aclarar esta situación, intentando de alguna forma producir campos eléctricos con campos magnéticos.
magnético que atraviesan el área del circuito. Aunque en principio este número aparece ser infinito, se puede mostrar que eligiendo con cuidado las unidades con las que se trabaja, el flujo magnético resulta ser un número finito. Esta definición de flujo puede extenderse a superficies más generales sin necesidad de considerar circuitos. Sin embargo, para el caso de la ley de Faraday, sólo interesará el flujo sobre el área encerrada por el circuito. En términos simples la ley de Faraday se enuncia diciendo: “En un circuito se induce una fuerza electromotriz (o voltaje) cada vez que exista una campo magnético que produzca un flujo cambiante con el tiempo”.
d
∫ E • dr = − dt ∫ B • ds S
L
Fig. 1. El movimiento de la espira dentro del campo magnético genera, según la ley de Faraday, una fuerza electromotriz que provoca el encendido del bombillo. 2.2.Flujo Magnético
Obsérvese que esta ley resuelve el problema planteado inicialmente, pues un voltaje viene asociado a un campo eléctrico, por tanto, en otras palabras, la ley de Faraday está afirmando que se pueden producir campos eléctricos por la variación de campos magnéticos, el proceso inverso al afirmado por la ley de Ampere. La pregunta es: ¿Cuál es el sentido de la corriente inducida por la fuerza electromotriz? La respuesta a esto viene dada por la llamada ley de Lenz: “La corriente producida en la ley de Faraday tiene un sentido tal que el flujo magnético que ella produce tiende a hacer disminuir la variación de flujo magnético que atraviesa el alambre”.
d
∫ E • dr = − dt ∫ Bds cosθ L
Dado un circuito cualquiera, dicho circuito encierra un área. Si el circuito está en una región donde existe un campo magnético, se define el flujo del campo magnético como el número de líneas de campo
(1)
S
2.3.Notación abreviada Recorrido de E
(2)
ϕ E = ∫ E • dr (3) L
Flujo de B Φ B = ∫ B • ds (4) S
ϕE = −
dΦ B (5) dt
3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN RESULTADOS
DE
Para explicar el fenómeno apreciado, al colocar el aro de cobre en el inductor nos basamos en las deducciones hechas por Faraday, las cuales afirman que en el inductor las variaciones de corriente están generando un campo magnético. Esto se puede apreciar en el calentamiento del aro sin contacto físico con el inductor. Es evidente que en el aro se presenta una corriente eléctrica que es inducida por el campo magnético generado en el inductor. Además del calentamiento se presenta un movimiento vibratorio que es producto de la energía cinética de los electrones libres o desapareados que contiene el elemento del cobre en su último nivel de energía. Al colocar el aro de bronce se nota, al igual que en el aro de cobre una presencia de corriente eléctrica dado que este también se calienta pero, en cuanto a su movimiento vibratorio, este es menor que el de cobre y no es suficiente para flotar debido a que su paramagnetismo es menor que el de cobre; es decir tiene menos electrones desapareados y por eso su energía cinética es menor. Otra manera de apreciar la presencia de una corriente inducida es cuando introducimos en el inductor un arrollamiento conectado a un bombillo dado a que este se encendía. Apreciamos que al bajar el bombillo su intensidad lumínica era menor que cuando lo
subíamos, esto es debido a que en la práctica la disposición de las espiras no siempre es uniforme. Posteriormente colocamos un cable enrollado en el inductor y al conectar sus terminales se produjo una chispa la cual es la prueba de la presencia de una corriente inducida que circula por el cable. La chispa se debe a que al juntar los terminales se produce un corto circuito es decir cuando se suministra un camino al paso de la corriente sin una resistencia considerable. Finalmente conjugamos los fenómenos producidos sobre los aros con el acercamiento de un tarro metálico el cual giraba a favor de las manecillas del reloj, poniendo de manifiesto que sobre los aros se induce una corriente que a su vez genera un campo que es transmitido al tarro, el cual es un conductor de corriente eléctrica. Debido a que el inductor presentaba hierro dentro de su composición podemos establecer la influencia de este sobre la inducción, como la presencia del hierro, aumenta el flujo de inducción y sus variaciones aumentan también las cantidades de electricidad inducidas. Si, por ejemplo, en los experimentos de inducción por una corriente se une uno de los carretes, o a los dos un núcleo de hierro dulce, se observa para los mismos movimientos o las mismas variaciones de la corriente inductora, desviaciones del galvanómetro mayores que en ausencia del hierro.
REFERENCIAS
Fig. 2. Anillo de cobre “danzando” en la parte del núcleo de hierro saliente, y bobina conectada a la fuente de AC.
4. CONCLUSIONES La ley de Inducción de Faraday se cumple notablemente en cualquier sistema compuesto por un conductor de corriente con varias espiras y otros elementos dispuestos alrededor de ella, siendo conductores. Para poder establecer la presencia de un campo magnético en un inductor es necesario contar con elementos que den una prueba contundente de ello, un bombillo, un corto circuito, etc. De lo anterior podemos decir que el hecho de que no haya un indicador cercano no significa que no haya un campo magnético. Con el laboratorio pudimos constatar que Michael Faraday tuvo fundamentos necesarios y suficientes para formular su ley a través de sus experimentos los cuales fueron muy acertados.
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http://www.edu.aytolacoruna.es/au la/fisica/teoria/A_Franco/elecmagn et/magnetico/LeyFaraday.html
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R. A. Serway, Fisica, Tomo II, 5ª. Edición McGraw Hill, 2000.
