Universidad de Concepci´ on on Facultad de Ciencias Cienci as F´ısicas ısicas y Matem´ Mate m´aticas aticas Departa Dep artamento mento de F´ısica ısi ca
Laboratorio 1 de Electromagnetismo Camp Campos os magn´ magn´ etic et icos os
Nombre: Walter Riquelme Chamblas Fecha de realizaci´ on: on: 11 de septiembre del 2012 Fecha de entrega: 25 de septiembre del 2012 Carrera: Cienci Cie ncias as F´ısicas ısi cas Profesor: Dr. Rolando Hern´ andez andez Ayudante: Evelyn Acu˜ na na
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Experimento 1 Descripci´ on: Este experimento permite estudiar como se comporta un rayo electr´onico en un campo magnetico perpendicular a la trayectoria de este haz, lo cual es visualizado por como fluorece el gas al interior de una campana. El consta de 2 bobinas de Helmholtz, separadas entre ellas con una distancia igual al radio de las bobinas, por donde circula corriente, entre estas 2 bobinas se encuentra lo que se conoce como Campana de Hidr´ogeno y a su lado presenta un tubo de rayo filiforme, el cual como su nombre lo indica expulsa el haz de luz hacia la campana.
Figura 1: Bobinas y campana de hidr´ogeno
Explicaci´ on: En principio, la corriente al pasar por una bobina genera un campo magn´ etico, luego los campos generados se superponen, generando un campo paralelo a la superficie de la mesa. Despues de esto el tubo de rayo filiforme genera un haz de electrones, que se mueve con velocidad v perpendicular a la superficie. Los electrones al estar en presencia de un campo magnetico generan un c´ırculo de luz, dado por la Fuerza de Lorentz definida por la = q (E + v × B ), donde E es el campo el´ es la inducci´ ecuaci´ on F ectrico, v es la velocidad de los electrones, B on magn´ectica y q es la carga. De la expresi´on de la Fuerza de Lorentz se puede deducir que al aumentar o disminuir la corriente que pasa por bobina se formar´a un c´ırculo de mayor o menor radio, y adem´ as si cambiamos el ´angulo del haz de luz este formar´a una especie de h´ elice dada por la expresi´ on del producto entre la inducci´on y la velocidad de los electrones.
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Experimento 2 Descripci´ on: El siguiente exp erimento permite mostrar como se comporta el campo magn´etico alrededor de un cable por el cual pasa una corriente. Estas l´ıneas de campo son visualizadas a traves de limaduras de hierro las cuales toman la forma del campo. El experimento consta de, un generador de corriente encargado de hacer pasar electrones por el cable, una superficie de material no conductor (2 placas de vidrio), y un cable de material conductor que atraviesa perpendicularmente a la superficie no conductora. Se aplica limadura de hierro al vidrio y luego de enciende el generador, mostrando as´ı las l´ıneas de campo magnetico.
Figura 2: L´ıneas de campo magn´etico en un cable cargado
Explicaci´ on: Cuando una corriente viaja por un conductor, en nuestro caso particular el cable, genera a su alrededor un efecto conocido como campo magn´etico Este campo forma circulos perpendiculares a la velocidad de los electrones en el cable, tal como se muestra en la figura 2. El campo magn´ etico es m´as intenso a medida que nos acercamos al cable y esta intensidad disminuye conforme nos alejamos de ´el hasta que su efecto es nulo El sentido de estas lineas est´a dado por la regla de la mano de mano derecha. Si se cambia el sentido de la corriente, su campo magn´etico tambi´en cambia de sentido.
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Experimento 3 Descripci´ on: En este experimento, al igual que el anterior, veremos como se comportan las l´ıneas de campo magnetico, pero en este caso en lugar de un cable se analizara una bobina, un aparato electr´onico que almacena energ´ıa en forma de campo magn´etico. De la misma manera que el experimento 2, estas l´ıneas son vistas a traves de la limadura de hierro, la cual dibuja las l´ıneas de campo que pasan por la bobina. Los elementos utilizados en este experimento son: Una bobina, que se encuentra conectada a un generador de corriente, una superficie y limadura de hierro.
Figura 3: L´ıneas de campo magn´etico en una bobina
Explicaci´ on: La bobina, de manera similar al cable, se comporta como un generador de campo magnetico al pasar corriente por ella. Una bobina est´a compuesta de un cable enrrollado formando una especie de cilindro, al encender el generador de corriente este cable genera un campo magnetico, que al estar enrrollado, tiene una forma particular producto de la superposici´on de estos campos. De la misma forma que el experimento 2, el sentido del campo generado cambia a medida que se var´ıa la direcci´on de la corriente que circula por el cable.
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Experimento 4 Descripci´ on: Este experimento nos muestra como una bobina, bajo ciertas condiciones, puede convertirse en una aparato electr´onico conocido como electroim´an. Un electroim´an es un tipo particular de im´a n en el cual es campo magn´etico se produce mediante el flujo de corriente el´ectrica. Lo usado para este experimento, como se ve en la figura 4, es: Una bobina, igual a la del experimento anterior, un generador, y un material ferromagn´etico, conocido como n´ucleo ferromagn´etico.
Figura 4: Electroim´an
Explicaci´ on: En el experimento anterior vimos que una bobina, al ser conectada a un generador, genera un campo magn´etico representado en l´ıneas de campo. Ahora sabemos que estas l´ıneas de campo en una bobina tienen una geometr´ıa similar a las l´ıneas en un im´ an. Entonces, en un solenoide con corriente se forman polos magn´ eticos en ambos lados, de igual manera que un im´an. Ahora si dentro de la bobina se coloca un material, o n´ucleo, ferromagn´ etico por la influencia del campo producido este se magnetiza, aumentando en gran intensidad el campo magn´etico. La fuerza magn´ etica, al igual que los experimentos anteriores, se ejerce solo cuando el electroim´an es recorrido por corriente electrica y si esta es variable, tambi´en lo es la fuerza.
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Experimento 5 Descripci´ on: Este siguiente experimento sirve para ver como se comporta un campo magn´etico en un im´an junto con un barra cargada interior a ´el. Tal como lo muestra la figura 5, el sistema est´a compuesto por un im´an, un cable conductor y una barra de material conductor. La barra de metal se encuentra conectada, por medio de los cables, a un generador de corriente, quedando suspendida en el aire como una especie de columpio, luego esta barra es puesta entre ambos polos del im´an, siendo afectada por su campo magn´ etico. Al encender el generador esta barra es empujada por una fuerza, ya sea al interior del im´an o hacia afuera.
Figura 5: Columpio cargado e im´an
Explicaci´ on: La fuerza experimentada se conoce como Fuerza Magn´etica sobre un conductor rectilineo, y est´a dada por la = Il × B , donde es I es la intesidad de la corriente que pasa por el conductor, l es el expresi´ on matem´atica F es el campo magn´ largo de la barra conductora y B etico. En nuestro caso particular vemos que nuestra barra al estar conectada a un generador, tiene un intesidad de corriente que la circula. Adem´as la barra se encuentra inmersa en el campo magn´etico del im´an, as´ı al encender el generador la barra ser´a impulsada con una fuerza dada por la expresi´on anterior y su direcci´on estara dada por el producto cruz. Si cambiamos la direcci´on de la corriente la fuerza cambiara de sentido, tal como se mostr´o en el experimento.
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Experimento 6 Descripci´ on: Este experimento permite ver como se aplica el concepto de torque para una espira inmersa en un campo magn´etico. El sistema a analizar consiste en; una espira, que se que encuentra conectada a un generador de corriente y un im´an en U. La espira, como lo muestra la figura 6, se encuentra suspendida en el aire, y a su vez est´a entre las barras magn´eticas del im´an en U. Al encender el generador de corriente la espira experimentar´a una especie de rotaci´on, hasta que en un punto dejar´ a de girar.
Figura 6: Espira e im´an
Explicaci´ on: La rotaci´on de esta espira est´a dada por el concepto de torque, aplicado a campos magn´ eticos, y su expresi´on , donde es τ = µ×B µ es el momento dipolar magn´etico que se relaciona, a grandes rasgos, con la alineaci´on de que representa el campo magn´etico. los los campos magn´ eticos, y el vector B Al hacer circular corriente por la espira esta generar´a un campo magn´etico que tendr´a una direcci´on particular. Luego, al entrar en contacto el campo de la espira con el campo del im´an, por el concepto de momento dipolar magn´ etico, estos trataran de alinearse y tal como la expresi´on anterior lo predice, la espira experimentar´a un torque hasta que ambos campos se alineen.
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Experimento 7 Descripci´ on: En el siguiente experimento se medir´a el campo magn´etico en las bobinas del primer experimento, conocidas como Bobinas de Helmholtz, y se obtendran algunas conclusiones. Adem´as de las bobinas se usara un elemento importante para medir el campo magn´ etico, este aparato se conoce como medidor de Hall, el cual se basa en el efecto Hall para medir campos magn´eticos.
Figura 7: Bobinas de Helmholtz y medidor de Hall
Explicaci´ on: El elemento importante en la medici´on de este campo magn´ etico es el medidor de Hall. Si fluye corriente por el medidor de Hall y este se acerca a un campo magn´ etico, entonces el medidor crea un voltaje proporcional al producto de la fuerza del campo magn´etico y de la corriente. Si se conoce el valor de la corriente, entonces se puede calcular el valor de campo magn´ etico. De este experimento se concluye que el campo magn´ etico al centro de las bobinas se comporta de manera constante y adem´as si el medidor se aproxima a las bobinas su campo magn´etico alcanza su valor m´aximo.
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Experimento 8 Descripci´ on: El experimento siguiente se puede tomar como una extensi´on del experimento 6, donde se utilizara el mismo concepto de torque pero en este caso para generar una especie de motor. Los elementos de los que consta este motor son; Un im´an permanente, un conjunto de 4 bobinas, que se encuentran ordenadas de tal manera que un par es perpendicular al otro, un conmutador, el cual es el encargado de cambiar entre las bobinas conectando un par y desconectando el otro.
Figura 8: Motor de bobinas e im´an permanente
Explicaci´ on: El principio b´asico es el mismo usado en el experimento 6, campos magn´ eticos que tratan de alinearse generando un torque. En este caso la corriente pasa por el primer par de bobinas, generando un campo magn´etico, luego este campo magn´ etico tiende a alinearse con el campo ejercido por el im´an permanente haciendo que la bobina gire media vuelta, en este momento es cuando entra el conmutador, el conmutador corta la corriente del primer par de bobinas y se conecta con el segundo 2 par, las cuales seguir´an el mismo principio formando as´ı una rotaci´on constante.
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Experimento 9 Descripci´ on: Este experimento es similar al anterior, ambos aplican el concepto de torque para crear un motor. La diferencia de radica en que este experimento en lugar de contar con un im´an permanente presenta 2 bobinas conectadas a un generador. Al igual que el anterior ambos presentan; un conjunto de 4 bobinas, siendo la parte que gira del motor, un conmutador y las 2 bobinas, que cumpliran la funci´on del im´an permanente.
Figura 9: Motor de bobinas
Explicaci´ on: Al activar el generador a las bobinas base estas crear´an un campo magn´ etico por separado, los cuales se superponen generando un campo magnetico de similares caracteristicas que el im´an permanente, pero esta vez, como fue visto en experimentos anteriores, formaran un electroim´an. Una caracteristica importante del electroim´an es que la intensidad de su campo magn´etico depende de la intensidad de la corriente que lo recorre. La principal diferencia est´a dada por la caracteristica variable del electroim´an. Al ser el campo magnetico de par de bobinas variable, tambi´en lo ser´ a su velocidad de rotaci´on, pudiendo as´ı regular la velocidad del motor. Una importante conclusi´on entre este experimento y el anterior es que, la velocidad con la gira el conjunto de 4 bobinas es mucho m´as rapida en el exp 8, esto se produce principalmente por la perdida de energ´ıa que ocurre en el uso de corriente. El experimento 9 requiere de m´as corriente para que, adem´as de funcionar el conjunto de 4 bobinas, funcionen las otras 2 bobinas base, perdiendo potencia.
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