UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLÓGICA DEL CONO SUR DE LIMA
LABORATORIO DE FISICA N°5
TEMA: LEY DE FARADAY ASIGNATURA: FISICA III CICLO:
V
DOCENTE: DOMINGUES CASERES INTEGRANTES:
ARIAS GONZALES GONZALES FELIX FELIX BERAUN BELLIDO YAELA SUSAN COLLAHUA CUYA LUIS
Introducción
Los primeros fenómenos magnéticos magnéticos observados fueron quizá la atracción atracción entre el hierro y la magnetita (óxido de hierro) La magnetita magnetita formaba un imán natural natural que se encontró antiguamente en la provincia de Magnesia, mencionada por los griegos en el año 800 A. C. Quizá la primera aplicación práctica fue la invención de la brújula. Los grandes descubrimientos del siglo XIX llevaron a unificar el estudio de los fenómenos magnéticos y eléctricos. En 1820, Oersted mostró que una corriente eléctrica producía una deflexión en la aguja de una brújula. Después de este descubrimiento, Ampère mostró que conductores que conducían corriente eléctrica estaban sujetos a fuerzas magnéticas. Faraday, alrededor de 1830, descubre el fenómeno de inducción. Con estos descubrimientos se inicia una revolución tecnológica relacionada con l os fenómenos magnéticos y eléctricos, que continúa en nuestros días
Objetivos
Estudio experimental de la ley de inducción electromagnética de Faraday utilizando imanes y bobinas
Estudiar Las características tecnicas del transformador
Entender en que consiste el fenómeno de la inducción electromagnética mediante la ley de Faraday y la Ley de Lenz.
Comprender el fenómeno de inductancia mutua. Se estudiará la relación entre el voltaje de salida de un transformador, el voltaje de entrada y el número de espiras de ambas bobinas.
Fundamento teórico
Induccion electromagnetica Flujo Magnetico Magnitud escalar , que representa el numero de líneas de campo magnético que atraviesa cierta superficie , matemáticamente se representa por la siguiente expresión :
Las unidades de medición son el Weber (WB)
Ley de Lenz
Ley de Faraday
Conocida tambien como la ley de la induccion electromagnetica. Establece que todo campo magnetico cuyo flujo magnetico a traves de un circuito cerrado varia en el tiempo induce en el circuito una fuerza electromotriz llamada fem inducida:
Donde el signo negativo manifiesta que la fem inducida ,obedece a la ley de Lenz
Transformadores
Perdidas de potencia de Relacion de transformación
Se utilizan para transformar
en un transformadores
energía eléctrica de una
monofasico
tensión determinada , en
transformadores
energía eléctrica de otra
Por ser una maquina eléctrica
tensión distinta a la anterior.
estatica , presenta perdidas de potencia ,que tienen origen en el hierro del Nucleo y el cobre del bobinado
Perdidas en el hierro
Perdidas en el cobre
Reluctancia
Histeresis
La reluctancia magnética
En electrotecnia se define la histéresis magnética como el retraso de la inducción respecto al campo que lo crea
de un material, es la resistencia que éste posee al verse influenciado por un campo magnético
Corriente de Folcaut
Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule.
El valor de esta potencia depen de de la intensidad de corriente tanto en el bobinado primario como en el secundario, la cual varía mucho desde el funcionamiento en vacío a plena carga.
Materiales
Bobinas
en U
Interface 3B Netlab
Imanes
Cables
Computadora
Fuente de alimentación
Bobinas de primario, con nucleo Sección del núcleo: 40x40 mm²
universal con indicación digital para la tensión y la corriente
3B NETlog™
(115 V, 50/60 Hz)
Tubo de inducción con 6 bobinas
Soporte universal
Pinza universal
Cables de experimentación
Dimensión de tubo en mm (LxD): 1500 x 10/20 Ancho de las bobinas: 10 mm Distancia entre las bobinas: 19 cm Masa: aprox. 500 g
Tensión de salida de CC : 0 − 20 V, 0 − 5
Bobina secundaria 5 tomas , 72 espiras
Resistencia 0.1Ω
Corriente máxima:12ª
Inductancia 0.23mH
A Potencia de salida: 100 W Estabilidad a plena carga: ≤0,01% + 5 mV, ≤0,2% + 5 mA
Dimensiones: aprox. 130x150x300 mm³ Masa: aprox. 4,7 kg
Procedimiento 1. Con ayuda del soporte y la pinza universal colocar el tubo de inducción de tal manera que este quede completamente vertical
in
2. Utilizando el interface como medidor de corriente (en las entradas I A ) conectarlo, con ayuda de los cables, al tubo de inducción. conectar la interface a PC.
Observaciones : Conectamos la salida del interfaz al puerto USB de la PC ,encendemos el interfaz , y ahora el control será por software .
tm
3. Pulsar el botón test, para verificar la conexión con el equipo 3B NETlog . 4. Configure el sensor a modo de entrada a DC y rango de entrada en 200mA. 5. Pulsar el botón Entradas Ok. 6. Para la toma de datos configurar el intervalo en 500 μs, y 1000 datos. 7. Pulsar Iniciar y, apenas se tenga la medición en marcha….dejar caer el imán a través del tubo .Guarde sus datos.
Observaciones :
Los parámetros que se añadió a la computadora son : 500ms y 10000 datos
8. Repita el paso 7, invirtiendo la polaridad del imán .guarde sus datos.
Observaciones : La grafica adjunta representa una función amortiguada , cuando soltamos el iman (con el norte abajo .Escogido arbitrariamente ), dentro del tubo que en su rebestimiento tiene seis bobinados . en la figura aparecen también 6 oscilaciones que es la corriente inucida en cada bobina .
Figura 1
Observaciones:
La grafica adjunta representa Cuando el iman cae en el interior del tubo , inmediatamente después del anterior experimento, solo que esta vez cambiamos la orientación del iman (el sur colocamos ahora en la parte inferior) Figura 2
Repetimos la experiencia con un iman de mayor longitud Observaciones La figura ajunta ,representa cuando el iman mas largo cae e norte , por el tubo rebestido de bobinas . Como el iman tiene mayor dimensión , entonces es mas intenso su campo magnético , por lo tanto mayor numero de líneas ingresa a la espira y rápidamente se induce corriente . Figura 3
Observaciones : De la figura adjunta representa ,la caída del iman cuando cae de sur, por el tubo rebestido de solenoide . Es muy notorio la diferencia y el tiempo es mas prolongado , esto se asocia a la mayor longitud del iman. Tambien existe una inversión de inicio ,que esta relacionado con que polaridad cae el Figura 4
iman. Y el sentido de la corriente inducida en la bobina
Transformador 9. Instale el transformador con fuente apagada, de acuerdo a la figura siguiente, tm
conectando entre los terminales de 06 espiras la interface 3B NET log como sensor de voltaje, configurado en modo de entrada V DC y rango de entrada 20 V.
En un transformador reductor la resistencia eléctrica en el bobinado secundario es baja (200Ω),a comparación con la resistencia eléctrica en el primario (Ley de Poulliet), lo cual nos ayudaría a diferenciar del primario y el secundario.
10. Encienda la PC, configure el intervalo de tiempo a 200 microsegundos y número de datos d 500. 11. Pulse iniciar para realizar una medida con fuente apagada. Se obtuvo la siguiente figura con fuente apagada :
Observaciones : Cuando esta apagado el transformador presenta una señal muy tenue , un ruido eléctrico , esto indica que
apagado, el nucleo concentra el campo magnético , debido a la contaminación electromagnética del ambiente.
Figura 5
12. Anote el número de espiras de las bobinas y el voltaje mas el primario, encienda la fuente del transformador.
Numero de bobinas en el primario : 600 Numero de bobinas en el secundario : 6 Bobinas
13. Pulse restablecer, luego iniciar, realice ajuste de curvas y guarde sus datos. Se obtiene la señal sinusoidal en la salida :
Observaciones :
La señal es de naturaleza sinusoidal , el transformador no genera desfase, pero se muestra una ligera distorsion,eso implica que existe una fuente de ruido que se esta involucrando .
Figura 6
14. Cambie el sensor de voltaje a 30 espiras, pulse restablecer, luego pulse iniciar, realice el ajusté de curvas y guarde sus datos.
Para este segundo caso , cambiamos la segunda bobina del secundario a 30 bobinas, Con 600 espiras en el secundario
Se obtiene la siguiente grafica de la señal en el bobinado secundario :
Figura 7
15- Luego con el sensor colocado, movemos el i man axialmente al centro de la bobina fija y la grafica obtenida es :
Figura 8
16 – Analogamente con el sensor colocado ahora movemos la bobina axialmente sobre el iman fijo , la grafica obtenida es la siguiente :
Figura 9
Datos experimentales 1. De acuerdo a los datos obtenidos en los pasos del 1 al 8 del procedimiento. Explique las variaciones de corriente, considere que el imán cae aceleradamente. ¿que sucede con la polaridad del imán? Al iniciar el experimento , cae de norte la barra de iman , la primera espira interactua con un campo magnético tenue , pero debido a la acción de l a gravedad el tiempo de caída se vuelve mas pequeño ,lo cual según la ley de Faraday ,se incrementa considerablemente la tensión inducida ,esta tensión se incrementa conforma avanza en su caída libre el iman , por eso en la grafica se nota unas oscilaciones de amplitud creciente y también se ven 6 oscilaciones que corresponde a las seis bobinas . De igual forma cuando de inmediato invertimos el iman y dejamos caer en el interior del tubo ,al iniciar la primera oscilación lo hace de manera invertida , esto se debe a la polaridad del iman , y se comporta de la misma manera al caso anterior. La polaridad del iman se mantiene tal como esta definido , la única manera de que pierda sus propiedades magnéticas es por medio de golpes y exponerlo a temperaturas elevadas. ¿Que ocurrirá con la corriente inducida si en vez del imán usado en el experimento, utilizamos imanes más intensos o más débiles? Al utilizar imanes más intensos la corriente inducida aumenta (Debido a que mas líneas de flujo atraviesan la superficie de la espira ) , el periodo se mantiene constante mientras que al someter un imán de campo más débil la intensidad de la corriente disminuye. 2. ¿Cómo varia la corriente inducida si se hace pasar por lenta o muy rápidamente el imán por la bobina, a velocidad constante? La intensidad de la corriente inducida en una bobina,cuando un imán pasa con una mayor velocidad ,es de mayor intensidad ,mientras al ser la velocidad tenue, La intensidad de corriente que se induce es infima ,contrastando con el caso anterior ,Al poseer una velocidad constante la corriente inducida crecerá de manera proporcional a su velocidad .
3. Con los datos medido en el paso 12 complete la siguiente tabla :
Vrms
Np
Ns
216
600
6
De sus datos obtenidos en los pasos del 12 al 13 del procedimiento .escriba el voltaje ajustado para el secundario.
V eficaz del primario = 220 Calcule el voltaje eficaz del secundario:
Determinando el error porcentual del valor eficaz calculado al respecto a la salida teórica del transformador E% = (Vs experi – Vsteo)/Vsteo*100% = 0.045 % Con sus datos calculados de Vrms del secundario y sus datos de la tabla .verifique la valides de la ecuación
Entonces el Vp experimental se aproxima al Vp teórico por lo que cumple la ecuación
4. Determinar la frecuencia de a fem inducida y compare con la frecuencia de la bobina primaria (60 Hz) La frecuencia de la fem inducida es:
5. De los datos obtenidos en el paso 14 del procedimiento. escriba el voltaje ajustado para el secundario Vrms 220
Np 600
Ns 30
Calcule el voltaje eficaz del secundario: Determine el error porcentual del valor eficaz calculado respecto a la salida teórica del transformador Vs experimental = 11 => ( Vs teo – Vs experi )* 100 %/Vs teor = 0.8127
Con los datos calculados de Vrms del secundario y sus datos de la tabla .verificar la validez de la ecuación
=> Vp = 218.21
Analisis de datos
Para el caso del desplazamiento del iman en el interior de la bobina (ver grafico 1 ) , se deduce que cumplen de manera estricta la ley de Faraday ,mientras se acerca induce una corriente en un sentido y cuando se aleja tambien induce una corriente en sentido contrario esto ocurre en todas las espiras, esa es la explicacion por la cual la corriente inducida en la grafica es oscilante , la amplitud creciente de la funcion amortiguada esta asociada al menor tiempo con que atraviesa la espira , por accion de la gravedad .
Para el caso del transformador de multiples salidas, y sin alimentarlo cuando aplicamos el sensor de voltaje,figura una señal (figura 5 ),esta señal viene a ser la corriente de Folcaut , que generalmente se queda inmerso en el nucleo de hierro .por el cual genera perdidas de eficiencia mediante disipacion de calor ,sin embargo tambien tiene un aspecto positivo , que _ sirve como un buen amortiguador a oscilaciones molestas
En el caso de los tranformadores .figura una diferencia entre el valor teorico y experimental que se representa e la siguiente tabla:
Valor eficaz teoricp de tension en el secundario
Valor eficaz experimentalde tension en el secundario
Eficiencia del transformador
frecuencia
Transformador de 600 a 6
2.2V ef
2.75± 0.08/1.41 =1.94Vef
88.18 %
59.93 Hz
Transformador de 600 a 30
11 Vef
14.81± 0.06/1.41=10.51Vef
95.8%
59.9Hz
Analizando en el transformadores de 600/6 ( Fig6 y Fig 7). Una eficiencia del 80.18% .esta diferencia lo podemos asociar porperdidas en el nucleo ,por la reluctancia del material . la resistencia de los bobinados,y tambien a la incertidumbre del instrumento ,como la mala ergonomia al momento de colocar el sensor.
En el caso del otro transformador ,manifiesta una perdida de energia , esta perdida de energia se debe a la energia acumulada por el bobinado del primario y del secundario debido a la inductancia que representa , mas las perdidas por resistencia electricas . La frecuencia de la red se aproxima a la nominal que es de 60 Hz, para nuestra experiencia es tolerable, ya que no manipulamos variables criticas, sin embargo esta caracteristica puede ser determinante cuando se trabaja en equipos mas sensibles , como el caso de equipos biomedicos. O cuando deseamos hacer alguna investigacion especifica donde involucra esta señal . es por eso que en la actualida se usan los estabilizadores, porque garantiza una señal de la red optima . Con respecto a la figura 7 y figura 8 , en la experiencia cuando realizamos un movimiento axial del iman hacia el transformador , se cumple la ley de lenz . Al acercar el iman al bobinado el flujo en las espìras del bobinado aumentan, entonces se induce una corriente electrica en opocicion al flujo que se incrementa, deacierdo a la regla de la mano derecha . la corriente tiene una polaridad incial . Pero cuando alejamos el iman, el flujo se atenua , entonces la corriente inducida en las espiras de la bobina es tal que tiene un sentido a favor del flujo decreciente , (aplicando la regla de la mano derecha), por tal efecto la polaridad se cambia , es por eso que en la grafica (Fig 8), figura una inversion de fase. Analogamente cuando mantenemos el iman fijamente y aproximamos la parte hueca del bobinado al iman . se induce una fem . la explicacion es la misma, se cumple la ley de lenz. Ahora si realizamos estos movimientos de maneras mas rapidas la fem es mayor , la explicacion nos las da la Ley de faraday Una aplicación de este flujo variante, es en las alas de los aviones ,cuando termina un vuelo , en sus alas se induce fem , debido a que interactua con el campo magnetico terretres , y esta carga estatica puede ser agente de ignicion a los almacenes de combustible .
Cuestionario 1. Explique el funcionamiento de los generadores de corriente que transforman energía mecánica en energía eléctrica
Generadores de Corriente alterna
La mayor parte de la energia electrica utilizada actualmente se produce mediante generadores electricos en forma de corriente alterna (ca),Un simple generador de corriente alterna esta formado por una espira en rotacion dentro de un campo magnetico uniforme :
Los extremos de la espira estan conectados a unos anillos deslizantes que giran con la espira. El contacto eléctrico con la espira se realiza mediante escobillas estacionarias de grafito en contacto con los anillos cuando la línea perpendicular al plano de la espira forma un angulo θ. Con un campo magnético uniforme B ,el flujo de la espira es :
Siendo N el numero de vueltas de la bobina y A el área de la misma .Cuando la bobina gira mecánicamente, el flujo a su travez cambia con el ti empo y según la Ley de Faraday , se inducirá en la bobina una fem,Si el angulo inicial es α, al cabo de cierto tiempo t el angulo será :
En donde W es la frecuencia angular de rotación .sustituyendo esta expresión de θ
La fem en la bobina será , por tanto
Existen mecanismos que hacen posible tomar la energía potencial de la caída del agua ,la combustión y transmitir este movimiento a las espiras que se moverán en el campo magnético uniforme .y de esta forma generar una tensión alterna , dentro de estos tenemos un gran espectro de clacificaciones , lo mas resaltante son :
En la figura adyacente se muestra un grupo electrógeno , que mueve un generador eléctrico a travez de un motor de combustión interna , en la parte inferior se muestan las características técnicas
Conclusiones
La ley de Lenz sólo se cumple en circuitos cerrados en donde exista un movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor, demostrando que la f.e.m. y la corriente inducidas tienen un sentido tal que tienden a oponerse a la variación que las origina
La fem inducida en un circuito cerrado es inversamente proporcional al tiempo en que es expuesto en un campo magnetico .
Los elementos diamagnéticos atenúan los efectos de un campo magnético externo, este proceso se denomina “Apantallado”; elementos diamagnéticos como el bismuto ,cobre ,bronce , azufre ,silicio ,germanio y gases nobles.
Para proteger equipos que controlan variables sensibles, equipos biomédicos por ejemplo, es imprecindible el apantallado, para aislar magnéticamente.
La relacion de transformación es inversa en caso de las corrientes ,y la frecuencia de red se altera con un valor muy infimo ( orden de las decimas ) en el secundario .esto se debe a la inductancia en los bobinado, que genera un desfase de manera implícitaa la señal de red .
Los transformadores estudiados en laboratorio proporcionan un aislamiento característico, idóneo para aislar distintas etapas, (por ejemplo el circuito de control y circuito de potencia ).
La tensión en el secundario ,en vacio ,es mayor a comparación con el bobinado secundario a plena carga .debido a que presenta un factor de potencia.
Las perdidas en potencia ,se origina por el efecto joule debido a la resistencia el cobre , la corriente e Folcaut ,la reluctancia que presenta el nucleo de hierro y el flujo de dispersion debido a que generan autoinductancia en el bobinado primario
y secundario
Conociendo el funcionamiento y componentes del Transformador, es de gran importancia realizar una metodología de pruebas para Transformadores para evitar pérdidas, fallas en el equipo y en sistemas eléctricos, pues así aseguramos un correcto funcionamiento y una larga vida útil para los mismos, ya que de nada sirve colocar una gran estructura y buenos cálculos cuando la parte operativa del Transformador no se encuentra en buen estado.
Concluyendo se pueden tener mejoras y grandes beneficios fortaleciendo el desarrollo de técnicas sistematizadas, estableciendo pruebas que se realizan en campo para determinar la calidad de los materiales que componen al Transformador.
Recomendaciones y sugerencias Al realizar el experimento se tuvo la dificultad de que el interfaz 3B Netlog, no sensaba la señal, a pesar que se colocaba en reset y cambiaba de puerto, lo sugiero una reparación de tal equipo. Es necesario que al momento de realizar el experimento de Faraday, los celulares estén apagados porque genera ruido eléctrico en el laboratorio.
Bibliografía Tipler | mosca , física para la ciencia y la tecnología 6 ° edición. Vol. 2 Física Universitaria Sears & Zemansky 12Ed - Vol 2 Electrostatica y Magnetismo , Humberto Leiva Naveros.
