Univ Universida ersidad d Nacion Nacional al de Colombia Sede Manizales
Laboratorio de Fisica Electricidad y Magnetismo
Fenómenos de Inducción Electromagnética
Andrea Stephanny Diaz Diaz Luisa Fernanda Granada Ramirez Carlos Javier Forero Carlos Fernando Ospina Trujillo
13 de diciembre de 2011
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1.
Cáculos y Resultados Halle valor promediodel número de vueltas de la bobina primaria. Con los datos obtenidos en el numeral 6 del procedimiento. Para esta procedimiento, se puede demostrar teóricamente que: E 1 E 2
=
N 1 N 2
(1)
En donde: E 1 yE 2 son los voltajes existentes en cada devanado del transformador. N 1 y N 2 son el numero de vueltas del solenoide de cada devanado del transformador. Para el numeral (6) del procedimiento se utilizaron dos solenoides con diferente numero de vueltas cada una, a saber: •
Solenoide 1 Numero de vueltas: 10 Voltaje medido: 1.138V
Ahora, con los anteriores datos y el voltaje aplicado a la bobina de la practica (120 V) hallaremos el valor del numero de vueltas de la bobina. Segun la equación (1) se tiene la siguiente relacion 120V 1,138V
=
N 1 10
De aqui que deduscamos que el valor aproximado sea de 1055 vueltas de la bobina primaria.
2.
Cuestionario Esplique el fenómeno de repulsión y calentamiento de los anillos. La producción de una corriente eléctrica requiere un consumo de energía y la acción de una fuerza desplazando su punto de aplicación supone la realización de un trabajo. En los fenómenos de inducción electromagnética es el trabajo realizado en contra de las fuerzas magnéticas que aparecen entre espira e imán el que suministra la energía necesaria para mantener la corriente inducida. Si no hay desplazamiento, el trabajo es nulo, no se transfiere energía al sistema y las corrientes inducidas no pueden aparecer. Análogamente, si éstas no se opusieran a la acción magnética del imán, no habría trabajo exterior, ni por tanto cesión de energía al sistema. La corriente inducida es una corriente alterna, que se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus dos polos eléctricos, convirtiendo el positivo en negativo y viceversa, muchas veces por segundo. 2
La corriente alterna que circula por la bobina o inductor crea un campo magnético que induce en la pieza (anillo de aluminio y de cobre) una corriente eléctrica que genera un calentamiento de la misma. La profundidad de penetración de esta corriente depende de la frecuencia de la corriente inductora, resultando que el calentamiento es tanto más superficial cuanto más alta es la frecuencia. Debido a que el campo magnético aplicado es alterno, la corriente inducida no circula uniformemente en la sección de la pieza, sino que es más intensa en la superficie y nula en el centro. El solenoide conductor de corriente puede o no magnetizar de alguna forma al núcleo. Un núcleo de cobre no puede ser magnetizado permanentemente, ya que es un material no ferromagnético, es decir, presenta propiedades magnéticas sólo en presencia de campos magnéticos externos. Para la experiencia se puede considerar un núcleo magnetizado por una corriente inducida, que al acercarle materiales como aluminio y cobre (materiales diamagnéticos, que tienen susceptibilidades negativas muy pequeñas), se produce una repulsión. Este fenómeno se puede explicar, ya que debido a las propiedades de los materiales diamagnéticos al ponerse cerca de un imán, la magnetización produce un campo que se dirige hacia el polo. El material diamagnético actúa como si tuviera un polo norte junto al polo norte externo. . En esos materiales, como el cobre, la dirección de magnetización es opuesta a la del campo que la induce. Cuando los anillos de aluminio y cobre no están en presencia de un campo externo, presentan una densidad de electrones (uniformemente distribuidos). Al ser acercados a un campo externo, los electrones tienden a ubicarse en la periferia de los anillos que son los puntos más cercanos al campo, provocando una excitación debido al desplazamiento de los electrones y como consecuencia una producción de energía en forma de calor. Se observó que la producción de energía en forma de calor era más rápida en el anillo de cobre que en el anillo de aluminio, debido a la diferencia en las propiedades resistivas de los materiales, ya que la del cobre es de 1, 71x10−8 Ωcm, y la del aluminio es mucho mayor, ya que la del aluminio puro es de 2, 82x10−8 Ωcm . Además de lo anterior se debe tener en cuenta el calor específico que para el caso del cobre es de 24, 47Jmol−1 K −1 y el del alumino 24, 2Jmol−1 K −1 . A que se debe que la espira hueca se caliente. Como ya se explicó en el numeral uno la espira que es de material de cobre se calienta por los principios anteriores, debido a la aplicación de la inducción electromagnética debido a ésta existe flujo de electrones y la 3
resistencia que opone la espira a éste, genera una disipación de energía manifestada en forma de calor, apreciándose este fenómeno en la evaporación del agua que contenía la espira ( efecto termoeléctrico) en donde el núcleo situado en el interior de una bobina recorrida por una corriente alterna, funciona como un transformador en el que el primario es el inductor y la pieza actúa como un secundario en cortocircuito. En la práctica la evaporación del agua comenzó aproximadamente a los pocos minutos. Por qué vibran los dos discos al colocarse cerca del núcleo En la practica se observó que al acercar estos materiales al carrete CENCO estos producían una vibración que se debe al cambio en el magnetismo generado por el núcleo, que a su vez es generado por la vibración de la corriente respecto al tiempo. Así, cuando el polo norte del imán se aproxima al disco, la corriente inducida circulará en un sentido tal que la cara enfrentada al polo norte del imán sea también Norte, con lo que ejercerá una acción magnética repulsiva sobre el imán (para el caso del disco de cobre). Inversamente, si el polo norte del imán se aleja del disco, la corriente inducida ha de ser tal que genere un polo Sur que se oponga a la separación de ambos, produciendo adherencia, esto se nota, ya que el latón es un material ferromagnético. Normalmente Los materiales ferromagnéticos se utilizan para intensificar el campo magnético producido cuando una corriente eléctrica pasa a través del material. Entonces se espera que el campo magnético haga trabajo. Las aplicaciones incluyen núcleos para electro magnetos, motores eléctricos, transformadores generadores y otro equipo eléctrico. Dado que estos dispositivos utilizan un campo alternativo el material del núcleo está continuamente sometido al ciclo de histéresis. Los materiales magnéticos eléctricos frecuentemente conocidos como imanes suaves tienen varias características: Magnetización de saturación alta Permeabilidad alta Campo coercitivo pequeño Remanencia pequeña Ciclo de Histéresis pequeño Respuesta rápida a campos magnéticos de alta frecuencia Resistividad eléctrica alta.
Una magnetización de saturación elevada permite que el material haga trabajo, en tanto que una permeabilidad alta permite que se llegue a la magnetización de saturación con pequeños campos magnéticos aplicados. Un campo coercitivo pequeño también indica que se pueden reorientar los dominios con campos magnéticos pequeños. Se desea una remanencia 4
reducida, de manera que al eliminar el campo externo no quede magnetización. Estas características también propician un ciclo pequeño de histéresis minimizando las pérdidas de energía durante la operación. Si la frecuencia del campo aplicado es tan elevada que los dominios no llegan a realinearse en cada ciclo, el dispositivo podría calentarse debido a la fricción bipolar además frecuencias elevadas naturalmente producen mayor calentamiento, porque el material pasa mas veces por el ciclo de histéresis y libera energía en cada ciclo. En aplicaciones de alta frecuencia, los materiales deben permitir que los dipolos se alineen a una velocidad excepcionalmente rápida. Diga qué ocurre con el aro de balanceo al colocarlo alrededor del núcleo No habia fenomenos de relevancia al hacer lo indicado en la guia de trabajo. Explique el fenómeno observado en el numeral (5) del procedimiento. Qué utilidad se le puede dar a este fenómeno?. Al introducir las espiras en un campo magnético variable (debido a la corriente alterna) se induce una diferencia de potencial en sus terminales, los cuales al estar separados, hacen que la espira se comporte como un circuito abierto. Al unir los terminales de la espira se produce un corto debido al salto espontáneo de los electrones en el inicio de la circulación de la corriente. Habiéndose convertido la espira en un conductor y al estar dentro de un campo se generan fuerzas de repulsión, debido a la alteración con las partículas en movimiento. Este fenómeno es muy similar al de dos bobinas acopladas magnéticamente (transformadores). En la práctica éste fenómeno se puede aprovechar en la producción de energía eléctrica generándose en: Hidroeléctricas Termoeléctricas campos eólicos
Otra utilidad dada es en los alternadores de automóviles, los cuales recargan la batería. Explique el fenómeno observado en el numeral (6) del procedimiento. Determine el numero de espiras en el primario del carrete de inducción. Una bobina en medio de un campo eléctrico variable, es una fuente de energía, debido a que esta bobina describe un conductor con una bombilla como resistencia y a la existencia de la diferencial de potencial al flujo eléctrico entra en movimiento y hace encender dicho elemento. El numero de espiras de la bobina fue calculado en la sección 1 Cálculos y Resultados.
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En el numeral (7), explique porque prende el bombillo cuando se acerca al núcleo del carrete y que ocurre en las demás posiciones. Explique. Esta experiencia es una demostración de la inducción electromagnética. Como se aplica una diferencia de potencial variable en la bonina inferior, una fuerza electromotriz es inducida en la bobina superior, la corriente fluye por el circuito de la bobina superior y por los filamentos del bombillo y este emite luz. En otras posiciones el campo magnético es diferente y por tanto también el flujo, si la bombilla se coloca a un costado del núcleo, la intensidad con que alumbra es menor, lo que indica que la fuerza electromotriz también lo es y que el flujo magnético a través de la bobina disminuyó. Explique por qué gira el disco de cobre en el numeral (7) del procedimiento Al igual que el aro de balanceo, se hizo de acuerdo a las indicaciones de la guia de trabajo sin resultados relevantes. ¿Por qué el núcleo del carrete del carrete de inducción está hecho a base de un conjunto de varillas delgadas aisladas entre si y no con un material macizo? Explique La razón de que el núcleo del carrete de inducción esta hecho a base de un conjunto de varillas delgadas aisladas entre si y no con un material macizo es que las pequeñas varillas funcionan en conjunto produciendo e intensificando el campo generado por la bobina de inducción. ¿Por qué en los generadores de las centrales de energía no se pone a girar el embobinado sino el inductor? Explique. Para evitar la pérdida de energía que se da en las escobillas, al tener que recolectar la energía por medio de la fricción, cuando gira el eje, esa fricción hace que parte de la energía se pierda, lo que no es productivo cuando se habla de altos niveles de energía, además el gasto en cuanto al mantenimiento del generador seria mayor debido al desgaste por fricción producido por las escobillas.
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