Octubre 29, 2009 Laboratorio de Física Electricidad
Departamento de Matemáticas y Física Ciencias Básicas © Ciencias Universidad del Norte – Colombia ____________
CAMPO MAGNÉTICO DE UN SOLENOIDE Julián Ávila Pinilla E-mail:
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[email protected] Ingeniería Mecánica
ABSTRACT This experiment will help us to know the physical characteristics of the magnetic field of a permanent magnet, as well as help us determine the direction of the vector magnetic field generated by this magnet also observe the variation in the magnitude of the magnetic field varies depending on its distance from one point.
RESUMEN Este Este experim experiment ento o nos nos ayuda ayudará rá a conoce conocerr las caract caracterí erísti sticas cas física físicass del del campo campo magnético de un imán permanente, además de ayudarnos a determinar la dirección del vector campo magnético generado por este imán; también observaremos la variac variación ión de la ma magn gnitu itud d del campo campo ma magn gnéti ético co segú según n varíe varíe su dista distanci ncia a con respecto a un punto.
INTRODUCCIÓN Por medio de las herramientas proporcionadas por el Laboratorio de Electricidad de la Universidad, podremos medir la densidad de flujo de campo magnético, además de analizar como se altera el campo magnético de un imán permanente a medida que se varía la distancia de este imán con respecto a un punto. Así mismo, con la ayuda ayuda de los concepto conceptoss previos previos estudiad estudiados os en la asignatu asignatura ra identific identificarem aremos os la dirección del vector del campo magnético, y determinaremos la relación existente entre la distancia y el campo.
MARCO TEÓRICO Magnetismo El Magnetismo es un fenómeno en el cual un material ejerce fuerzas de atracción o repuls repulsión ión sobre sobre otros otros ma mater terial iales. es. Los ma mater terial iales es con propie propiedad dades es ma magn gnéti éticas cas dete detect ctab able less ma mass fáci fácilm lmen ente te son son el níqu níquel el,, el hier hierro ro y sus sus alea aleaci cion ones es que que comúnmente se llaman imanes. Pese a esto todos los materiales son influenciados por un campo magnético de mayor o menor forma. Flujo magnético El flujo magnético, representado con la letra griega Φ, es una medida de la cantidad de magnetismo, magnetismo , y se calcula a partir del campo magnético, magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb (motivo por el cual se conocen como weberímetros los aparatos empleados para medir el flujo magnético). magnético). En el sistema cegesimal se utiliza el Maxwell (1 weber =108 Maxwell). Campo magnético
Un campo campo ma magn gnéti ético co es un campo campo de fuerz fuerza a cread creado o como como consec consecuen uencia cia del movimiento de cargas eléctricas (flujo de la electricidad). La fuerza (intensidad o corriente) de un campo magnético se mide en Gauss (G) o Tesla (T). El flujo decrece con la distancia a la fuente que provoca el campo. Movimiento en un campo magnético Una partícula que se mueve en un campo magnético experimenta una fuerza dada por el producto vectorial Fm=q·vxB. El resultado de un producto vectorial es un vector de módulo igual al producto de los módulos por el seno del ángulo comprendido qvB senq dirección perpendicular perpendicular al plano formado por los vectores velocidad v y campo B. y el sentido se obtiene por la denominada regla del sacacorchos. Si la carga es positiva el sentido es el del producto vectorial vxB, como en la figura izquierda Si la carga es negativa el sentido de la fuerza es contrario al del producto vectorial vxB Fuerzas Magnéticas El movimiento de un imán puede producir una corriente eléctrica. Si la corriente eléctrica crea un campo magnético, en forma inversa, el campo magnético puede producir una corriente inducida. Es el principio de la inducción electromagnética de Michael Faraday. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo Solenoide Un solenoide es definido como una bobina de forma cilíndrica que cuenta con un hilo de material conductor enrollada sobre si a fin de que, con el paso de la corriente corriente eléctrica, eléctrica, se genere genere un intenso intenso campo eléctrico. eléctrico. Cuando este campo magnético aparece comienza a operar como un imán. La función principal de un solenoide es activar una válvula que lleva su mismo nombre, la válvula solenoide. Esta válvula opera de acuerdo a los pulsos eléctricos de su apertura y de su cierre. Por lo general, este tipo de dispositivo se puede programar según ciertos horarios y dentro dentro de sus sus usos usos má máss comun comunes es se encue encuentr ntran an los sistem sistemas as de regula regulació ción n hidráulica y neumática. Dentro de este último campo, es frecuente utilizarlo para permit permitir ir el flujo flujo o rea realiz lizar ar la deten detenció ción n de corrien corrientes tes de alto alto am amper peraje aje en los motores de arranque. Debido a su funcionamiento, es posible encontrar solenoides en varias partes de un motor, no sólo en el motor de arranque. Para hacer que uno de estos dispositivos cumpla sus funciones, es necesario aplica corrie corrient nte e posit positiva iva a uno uno de sus termin terminale ales. s. Se aplic aplican an carga cargass posit positiva ivass y no negativas ya que esta última está aplicada en el momento en que se instala, en la tierra. En el único caso en que este principio no es aplicable, es para los motores de arranque. Estos motores son controlados por un interruptor, o switch, que impide que el vehículo comience a movilizarse a menos que éste se encuentre en neutro o en parking. Este interruptor está ubicado en la transmisión del vehículo y está conectado eléctricamente a fin de que se mueva junto al movimiento de la palanca de cambios. Es importante mencionar que existen varios tipos de solenoide, por lo que es lógico que que su instal instalaci ación ón y conexi conexión ón tambié también n varíe. varíe. No obsta obstante nte,, ya se trate trate de un solenoide u otro, y se le den usos diferentes, todos ellos operan bajo el mismo principio explicado con anterioridad. anterioridad.
PROCEDIMIENTO En esta experiencia se mide el campo magnético dentro de un solenoide y se compara con el campo campo magnético teórico teórico basándose basándose en el valor de la intensidad de corriente que circula a través del solenoide. Se utiliza el sensor de campo magnético para medir el campo magnético dentro del solenoide cilíndrico. Se utiliza el DataStudio para registrar y medir la intensidad el campo magnético magnético en el interi interior or del del soleno solenoide ide.. Se compa compara ra el campo campo ma magn gnéti ético co me medid dido o dentr dentro o del solenoide con el campo campo magnético teórico calculado calculado sobre la base de la intensidad y al número de espiras de alambre por unidad de longitud.
Al amplificad de potencia
M A G N E T I CF I E L D SEN SOR
CI-6520 A
Solenoide e introducción del sensor de campo magnético en el solenoide
DATOS OBTENIDOS
Grafica 1
Grafica 2
ANALISÍS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS Grafic Grafica a 1: En esta esta gráfic gráfica a tenem tenemos os la Inten Intensid sidad ad de Campo Campo Magné Magnétic tico o vs. La Corrie Corriente nte,, podem podemos os obser observar var claram clarament ente e que que el compo comporta rtamie mient nto o del campo campo magnético es totalmente lineal con la intensidad de la corriente, es decir, que son directamente proporcionales, entonces a medida que aumenta la intensidad de la corriente, aumenta también la intensidad del campo magnético.
Grafica 2: En esta grafica tenemos, Intensidad de campo magnético vs. Tiempo, en este ensayo se introdujo el sensor de campo magnético en el solenoide mientras circ circul ulab aba a una una inte intens nsid idad ad de corr corrie ient nte e dete determ rmin inad ada, a, pode podemo moss obse observ rvar ar el compo comporta rtamie mient nto o en la intens intensida idad d del campo campo ma magn gnéti ético co a me medid dida a que que pasa pasa el tiempo y además como varía dicha intensidad a medida que el sensor de campo se introduce y luego cuando sale.
CONCLUSIONES Pregunta 1: Comparar las lecturas axial y radial del campo ¿qué dirección tiene el campo magnético magnético en el interior del solenoide? RTA: Con base en la Gráfica 2, podemos observar que en el intervalo de tiempo desde 0 hasta 2 segundos, segundos, la variación en la intensidad del campo magnético no es muy significativa, de hecho, podríamos afirmar que es nula. Durante este intervalo de tiempo se realizó una medida del campo magnético radial. En cambio, en el intervalo de tiempo desde 2.5 hasta 7 segundos, se realizó una medición axial del campo magnético, por lo anterior podemos concluir que en el caso particular del solenoide una lectura radial del campo magnético es nula, mientras que una lectura axial del campo magnético muestra la variación real en la intensidad del campo magnético al interior del solenoide. Pregunta 2: ¿Cómo es la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación a la posición? posición? RTA: Partiendo nuevamente nuevamente de la Gráfica 2, podemos podemos observar que en el intervalo de la medición axial del campo magnético, a medida que se introduce el sensor de campo en el solenoide, la intensidad del campo magnético va en aumento hasta alcanzar un punto máximo, aproximadamente en el centro del solenoide, y luego disminuye a medida que el sensor va saliendo, de esto se concluye que la intensidad del campo magnético en el solenoide aumenta a medida que se acerca al centro longitudinal, es decir, se puede afirmar que en el caso particular del solenoide, la intensidad del campo magnético es mayor en su centro longitudinal que en sus extremos. Pregunta 3: ¿Qué relación relación existe entre la magnitud magnitud del campo campo magnético magnético en el interior de un solenoide y la intensidad de la corriente que circula por ella? RTA: De acuerdo con la Gráfica 1, observamos que la relación entre la intensidad del campo magnético es directamente proporcional proporcional a la intensidad de la corriente que circula por el solenoide Pregunta 4: : ¿Qué relación existe entre la magnitud magnitud del campo campo magnético magnético en el interior de un solenoide y el número de espiras del solenoide? 1.
Calcule el valor teórico del campo campo magnético magnético dentro dentro de la bobina bobina utilizando utilizando la corriente medida , su longitud, y el número de espiras del solenoide. 2. Determin Determine e la pendiente pendiente de de la recta del campo campo magn magnético ético en funci función ón de la intensidad de corriente para cada gráfica. 3. Compare Compare este este valor con el el valor teórico teórico obteni obtenido do de la fórmula fórmula que usted usted investigó.
RTA: La relación entre el número de espiras del solenoide y el campo magnético del mismo, es directamente proporcional, ya que a medida que aumenta el
número de espiras del solenoide, aumenta también la intensidad del campo magnético
1.
2. De acuerdo acuerdo con con el ajuste ajuste lineal lineal realizado realizado en la Gráfic Gráfica a 1, observam observamos os que la pendiente de la recta del campo magnético en función de la intensidad de la corriente es 346 3. Dura Durant nte e la expe experi rien enci cia a se obtuv obtuvo o que que el núme número ro de espira espirass del del sole soleno noid ide e era era de 2974 2974,, a pesa pesarr que que segú según n el fabr fabric ican ante te del del solenoide, objeto de nuestra experiencia, este tiene 3200 espiras.
Pregunta 5: Calcule el error en el valor del campo magnético. ¿A qué factores cree usted que se debe la diferencia obtenida? RTA: El error es de aproximadamente aproximadamente 7.0625%, esto tomando como valor teórico 3200 y como valo9r experimental 2974. PREGUNTAS PROBLEMATOLÓGICAS PROBLEMATOLÓGICAS 1. ¿Es el campo magnético uniforme en el interior del solenoide? Explique. RTA: El campo magnético del solenoide en su interior es uniforme, ya que este se encuentra dirigido a lo largo de su eje; aunque esto solo se conserva en su centro ya que en los extremos del solenoide comienza a presentarse cierta distorsión
2. ¿Qué ¿Qué conclu conclusió sión n puede puede deduci deducirr ace acerca rca de las caracte caracterís rístic ticas as del camp campo o magnético en el solenoide?. Dibuje un gráfico de B contra X que ilustre su respuesta. RTA: Básicamente, Básicamente, se concluye que la principal característica del campo magnético del solenoide es máximo en su centro longitudinal
B
0
L/2
L
X x
3. ¿Qué efecto efecto tiene tiene en los resulta resultados dos de la medició medición n “tarar” “tarar” el sensor sensor lejos de toda fuente de campo magnético antes de la toma de datos? RTA: Al tarar el sensor lejos de cualquier fuente de campo magnético, lo que se busca es que el sensor no este siendo afectado por ningún tipo de campo, de tal forma que su valor inicial va a ser aproximadamente cero, lo cual nos va a asegurar una medición y unos resultados mas exactos para nuestro análisis.
REFERNCIAS BIBLIOGRÁFICAS •
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Hewitt, Hewit t, Concep Conceptos tos de Física Física.. Segu Segund nda a edici edición ón.. Ed. Limus Limusa, a, S.A. S.A. Grupo Grupo Noriega de Editores (1999) es.wikipedia.org
