DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL VECTOR RESULTANTE DE LA SUMA DE VARIAS FUERZAS CONCURRENTESANILLO DE THOMSON
Presentado Por:
JOSE ANDRES FERNANDEZ 2152576 IVAN MORENO VILLAMIL 2150211 YESICA RAMOS HERRERA 2150794
Grupo: E1A E1A Subgrupo: 03 Formatted: Left Formatted: Left
Presentado a:
FREDY PARADA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FÍSICAA I Escuela de Física
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Introducción Con el pasar de los años el hombre se ha cuestionado sobre los fenómenos físicos que han trascurrido, empezando en la antigua Grecia y sus predecesores con bases y raíces orientales, quienes fueron pioneros en el estudio de los fenómenos naturales. En el siglo XIX D.C. Se empezaba a emplear más el término de Electromagnetismo en la ciencia, un elemento valioso que se generó como consecuencia de este, fueron las bobinas, las cuales permitieron el avance de esta rama. Para nuestro laboratorio usaremos una bobina como generador de un campo magnético, con el cual nos permitirá estudiar y desarrollar el famoso experimento “El anillo de Thomson”. El creador de este fino experimento, Elihu Thomson (1853 1937), Inventor, gran experimentador y fundador de Thomson Huston compañía eléctrica. En nuestro laboratorio hablaremos y analizaremos que fenómenos afectan el anillo, como l o son el campo magnético, fuerza magnética, corriente eléctrica, etc...
Resumen La Bobina de Thomson es una bobina eléctrica inventada por el ingeniero inglés Elihu Thomson en el año de 1887 con fines esencialmente demostrativos. Se trata de un devanado cilíndrico de alambre conductor con un núcleo ferromagnético que le sobresale formando un solenoide de alta inductancia tal y como se aprecia en el esquema de la Figura 1. Típicamente se la aplica corriente alterna con el fin de generar campos magnéticos variables en su vecindad. Su aplicación más popular, consiste en la introducción de un pequeño aro de aluminio en la parte sobresaliente del núcleo. La interacción de los campos magnéticos generados e inducidos hace que el aro levite
Figura 1.
Objetivo general
Analizar y estudiar el campo magnético, la corriente eléctrica y la fuerza magnética generado por un circuito de corriente alterna y los efectos que este trae a distintos materiales
Objetivos especificos
Examinar la levitación de anillos, como consecuencia del electromagnetismo
Comprobar teóricamente que la Fem inducida teórica coincida con la Fem experimental
Marco teórico En la bobina se genera un campo magnético (B) proporcional a la intensidad de l a corriente que circula por ella (Ib) (ley de Biot y Savart).
Figura 2.
En el interior de la bobina el campo magnético generado es principalmente paralelo al eje (B z), mientras que en el exterior tiene también una componente radial (B r ) Figura 2. Este campo magnético atraviesa el anillo, por lo que el flujo magnético a través del anillo será proporcional a la intensidad que circula por l a bobina, esto es (Figura 3):
Figura 3
Donde hemos supuesto el eje del anillo coincidente con el eje de la bobina y hemos tomado como el radio del anillo. Dado que esta corriente es alterna, el flujo magnético que atraviesa el anillo varía con el tiempo.
Corriente alterna
Flujo magnético
La variación en el tiempo del flujo magnético induce una fuerza electromotriz en el anillo igual en magnitud a la variación por unidad de tiempo del flujo que atraviesa el anillo (ley de Faraday). Dicha fuerza electromotriz tiende a oponerse a esta variación según la Ley de Lenz, entonces (Figura 4):
Figura 4
Se induce así una corriente en el anillo (I a) que circula bajo la acción del campo magnético de la bobina, por lo que éste ejerce una fuerza sobre el anillo (Figura 5). Figura 5
Por la simetría del problema, la fuerza neta ejercida sobre el anillo por la componente del campo paralela al eje (B z) nula y es sólo la componente radial del campo (Br ) la que ejerce una fuerza sobre el anillo en di rección vertical. El signo de la fuerza depende de la relación entre la dirección de (Ia) y de (Br) y la de este ultimo de la dirección de (Ib).
r a: radio del anillo Supongamos que en la bobina la corriente circula en sentido contrario a las agujas del reloj (visto desde arriba), por lo que el campo magnético generado tendría una componente radial positiva. Si la corriente del anillo circulara con la misma dirección que la corriente en la bobina, la fuerza de Lorentz sobre el anillo sería hacia abajo, esto es, si las corrientes tienen el mismo sentido, se atraen y el anillo bajaría. Si las corrientes tienen sentido opuesto, se repelen.
Si sólo tenemos en cuenta la resistencia del anillo ( ), la fuerza electromotriz induciría una corriente en él directamente proporcional a − cos ωt, por lo que la mi tad del periodo tendría sentido opuesto a la que circula por la bobina (se repelen) y la otra mitad el mismo sentido (se atraen) con lo que la fuerza promedio sería nula y no se podría explicar el fenómeno de sustentación. Para explicarlo hay que tener en cuenta la autoinducción del anillo (L) que provoca un desfase (ϕ) entre la fuerza electromotriz y la corriente inducidas en el anillo, por l o que la corriente en el anillo seria:
Este desfase:
Posibilita que las corrientes en el anillo y en la bobina sean opuestas la mayor parte del periodo, por lo que se produce una fuerza neta de repulsión entre ambos que contrarresta el peso del anillo y lo hace levitar. El núcleo de hierro que atraviesa la bobina tiene la doble función de canalizar el campo magnético en el exterior de la bobina (dado su mayor permeabilidad magnética que la del aire circundante) y servir de guía al anillo que levita
Materiales Bobina: Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.
Reóstato: Un reóstato, es el dispositivo de un circuito eléctrico que permite modificar su resistencia. A través del movimiento de un cursor o de un eje, el reóstato permite variar el nivel de la corriente
Cable de conexión: también llamado cable de red, se usa en redes de computadoras o sistemas informáticos o electrónicos para conectar un dispositivo electrónico con otro.
Anillo y Núcleo de hierro: Los anillos que se usaran serán de aluminio, cobre y hierro. La barra de hierro pondrá dentro de la bobina, para hacer transmitir la fuerza magnética en la trayectoria de esta.
Procedimiento 1. Fase: En el experimento de los anillos de Thomson se genera un campo magnético que varía en función del tiempo por medio de un solenoide c on un núcleo de hierro en su interior que se conecta a una fuente de voltaje AC. El núcleo sobresale unos cuantos cm del sol enoide de tal forma que a través de este pueden insertarse anillos metálicos con diferentes características. El solenoide se conecta directamente a la pared por medio de un enchufe; para controlar la corriente en el circuito, se conecta en serie un reóstato.
2. Fase: Inicialmente se pone un anillo de cobre a través del núcleo de hierro, se configura el reóstato en una posición intermedia, y se acciona el interruptor o se conecta a la el enchufe que enciende la fuente AC. Se observa que el anillo sale disparado hacia arriba apenas se cierra el interruptor. Si se repite el experimento, aumentando la resistencia del reóstato, se observa que el anillo queda flotando a cierta distancia de la base del núcleo de hierro. La distancia puede ajustarse por medio del reóstato.
3. Fase: Si se repite el experimento empleando un anillo abierto en lugar del anillo macizo de cobre se encuentra que este no se eleva y no se calienta: permanece en la parte inferior del núcleo de hierro.
Análisis de datos
Conclusiones
Se pudo observar el comportamiento del campo magnético, al crear una fuerza la cual hacia levitar el anillo
La generación de distintas corrientes eléctricas gracias al fenómeno de inducción
La generación de campos magnéticos en consecuencia del fenómeno de inducción
Bibliografía – Web biografía
Serwey Janet, Volumen 2, 5ta edición. https://www.ucm.es https://fisicaexpdemostrativos.uniandes.edu.co/AnillosDeThomson.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/anillo/anillo.htm http://javierdiegojorgefisica.blogspot.com.co/2015/05/el-anillo-de-thomson.html Sears Zemansky, Volumen 2, 12va. edicion
