BOBINA COMO ELECTROIMAN Y EL EFECTO MGNETICO DE LA CORRIENTE EN UN CONDUCTOR RECTO
A. Causil, Y. González, F. Villa y S. Doria. Universidad de Córdoba, Facultad de Ingeniería Agronómica RESUMEN
El efecto magnético se lleva a cabo cuando alrededor de los conductores que transportan las corrientes eléctricas se producen campos magnéticos. Así, cuando se acerca una aguja magnética a un conductor que transporta corriente, se observa que la aguja se desvía bruscamente de su posición. La siguiente práctica experimental tiene como objetivo la comprobación experimental de los efectos de la corriente eléctrica en un conducto rector, y la verificación del funcionamiento de la bobina como electroimán. Para lo cual fue necesario la utilización de materiales como: brújula, bobinas, interruptor, núcleo de hierro, multímetro, entre otros. Palabras claves: corriente eléctrica, efecto magnético, electroimán. ABSTRACT
Magnetic effect takes place when around conductors that carries electrical currents produce magnetic fields. Thus, when a magnetic needle about a conductor carrying current, it appears that the needle is diverted abruptly from its position. The following experimental practice aims to experimental verification of the effects of the electric current in a conduit rector, and verify the operation of the coil and magnet. This was necessary for the use of materials such as: compass, coils, switch, iron core, multimeter, among others. Keywords: electricity, magnetic effect, electromagnet.
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Estudiar en un conductor enrollado, los factores que dependen de la intensidad del campo magnético, y lo que determina los polos norte y sur de un electroimán. Comprobar si un conductor atravesado por una corriente eléctrica, manifiesta un efecto magnético.
TEORIA RELACIONADA
La ley de Biot – Savart Poco después de que Oersted descubriera en 1819 que la aguja de una brújula era desviada por un conductor que llevaba corriente, Jean- Baptiste Biot (1774-1862)
Y Félix Savart (1791-1841) realizaron experimentos cuantitativos sobre la fuerza ejercida por una corriente eléctrica sobre un imán cercano. A partir de sus resultados experimentales, Biot y Savart llegaron a una expresión matemática que proporciona el campo magnético en algún punto en el espacio en términos de la corriente que produce el campo. Dicha expresión está basada en las siguientes observaciones experimentales para el campo magnético d B en un punto P asociado con un elemento de longitud d s de un alambre que produce una corriente estable I (figura 1)
El vector d B es perpendicular tanto a d s (que apunta en la dirección de la corriente) como el ̂ dirigido de d s a vector unitario P. La magnitud de d B es inversamente proporcional a , donde r es la distancia desde d s hasta P. La magnitud de d B es proporcional ala corriente y a la magnitud d s del elemento de longitud d s. la magnitud de d B es proporcional a , donde es el ángulo entre ̂ los vectores d s y
Figura 1: el campo magnético d B en el punto P debido a la corriente I a través de un elemento de longitud d s está dado por la ley de Biot-Savart.
Estas observaciones se resumen en la fórmula matemática conocida en la actualidad como ley de Biot-Savart ̂
(1)
Donde es una constante conocida como permeabilidad del espacio libre:
Es importante observar que el campo en la ecuación 1, es el campo creado por la corriente solo para un pequeño elemento de longitud d s del conductor. Para encontrar el campo magnético total B creado en algún punto por una corriente de tamaño finito, debe sumar las contribuciones de todos los elementos de corriente Id s que conforman la corriente es decir debe evaluar B integrando la ecuación 1:
∫
̂
(2)
Donde la integral se evalúa sobre toda la distribución de corriente.
Aunque se ha desarrollado la ley de BiotSavart para un alambre que conduce corriente, también es válida para una corriente que consta de cargas que fluyen a través del espacio, como el haz de electrones en una televisión. En este caso d s representa la longitud de un pequeño segmento del espacio en el cual fluyen las cargas.
Hay similitudes interesantes entre la ley de Biot-Savart del magnetismo y la ley de Coulomb de la electrostática. El elemento de corriente produce un campo magnético, en tanto que una carga puntual produce un campo eléctrico. A demás la magnitud del campo magnético varía como el cuadrado inverso de la distancia desde el elemento de corriente, como ocurre con el campo eléctrico debido a una carga puntual. Sin embargo, las direcciones de los dos campos son bastante diferentes. El campo eléctrico creado por una carga puntual es radial, mientras el campo magnético creado por un elemento de corriente es perpendicular tanto al elemento de longitud d s como al ̂ , como se describe por el vector unitario producto cruz en la ecuación 1, por consiguiente si el conductor esta en el plano de la pagina como se muestra en la figura 1 apunta hacia afuera de la pagina en P y hacia dentro de la misma en P´ . Otra diferencia entre los campos eléctrico y magnético está relacionada con la fuente del campo. Un campo eléctrico se establece mediante una carga eléctrica aislada. La ley de Biot-Savart proporciona el campo magnético de un elemento de corriente aislado en cualquier
punto, pero tal elemento de corriente aislado no puede existir de la forma en que puede hacerlo una carga eléctrica aislada. Un elemento de corriente debe ser parte de una distribución de corriente extendida porque es necesario tener un circuito completo para que fluyan las cargas. En consecuencia, la ley de BiotSavart sólo es el primer paso en un cálculo de un campo magnético; debe ser seguido por una integración sobre la distribución de corriente. El campo magnético determinado en esos cálculos es el campo creado por un conductor que transporta corriente. Este campo no debe confundirse con cualesquier campos adicionales que puedan estar presentes afuera del conductor debidos a otras fuentes, como un imán de barra colocado en la cercanía. LEY DE AMPERE El descubrimiento de Oersted de 1819 acerca de la desviación de las agujas de brújula demostró que un conductor que lleva corriente produce un campo magnético. La figura 2a muestra cómo puede demostrarse este efecto en el salón de clase. Varias agujas de brújula se ponen en un plano horizontal cerca de un largo alambre vertical. Cuando no hay corriente en el alambre, todas las agujas apuntan en la misma dirección (la del campo magnético de la tierra), como se esperaría. Cuando el alambre conduce una intensa corriente estable, todas las agujas se desvían en una dirección tangente al círculo como se ve en la figura 2b. Estas observaciones
demuestran que la dirección del campo magnético producido por la corriente en el alambre es consistente con la regla de la mano derecha descrita en la figura 3. Cuando la corriente se invierte, las agujas en la figura 2b también se invierten. Ya que las agujas de la brújula apuntan en la dirección de B, se concluye que las líneas de B forman círculos alrededor del alambre, por simetría la magnitud de B es la misma en todos los puntos sobre una trayectoria circular centrada en el alambre y que yace en un plano perpendicular al alambre. Mediante la variación de la corriente y la distancia a desde el alambre, se encuentra que B es proporcional a la corriente e inversamente proporcional a la distancia desde el alambre así[1]
(3)
Figura 3: derecha.[1]
la
regla
de
la
mano
La brújula (el norte señala al norte magnético de la tierra, que no coincide con el norte geográfico, ya que conoce había explicado antes los polos opuestos se atraen y los similares se repelen, en el norte geográfico de la tierra se encuentra el polo sur magnéticamente hablando por lo que su opuesto en este caso) apunta lo contrario en una brújula.
Figura 2(a): Cuando no Figura 2(b): Cuando el hay corriente presente en alambre conduce una corriente intensa. el alambre
Figura 4: Líneas de campo magnético terrestre. El campo magnético creado por una espira por la que circula corriente eléctrica aumenta al incrementar la intensidad de la corriente
eléctrica
Montaje 1
MATERIALES
Para la bobina como electroimán Material Placa reticular Interruptor Bobina 400 espiras Bobina 1600 espiras Núcleo de hierro en I Brújula una unidad de Cable 25cm, rojo Cable 25 cm, azul Cable 50cm, rojo Cable 50 cm, azul Multímetro A Fuente de alimentación 3…12V6V, 12V Clip
Referencia Cantidad 13001.0 1 13017.01 13024.01
1 1
13024.02
1
13024.11
1
06350.02
1
07313.01
1
07313.04
1
07314.01
1
07314.04
1
*07028.00
1
1.2 se cerró el circuito, y se sujeto el clip, junto a uno de los orificios de la bobina, se cerro y se abrió repetidamente el circuito.
*07028.00
1
Montaje 2
Esquema eléctrico 1 Realización 1 1.1se montó el circuito como se ilustra en el esquema eléctrico 1. Se introduce el núcleo de hierro en I en la bobina y se le aplica un voltaje de 12 V.
1
Materiales para la práctica: el efecto magnético de la corriente eléctrica en un conductor recto Materiales
R eferencia
Cantidad
Brújula cable 25cm cable 50cm cable 50cm
06350.02
1
07313.01
1
07314.01
1
07314.04
1
Multímetro A Fuente de alimentación
07028.00
1
11721.93
1
MONTAJE Y PROCEDIMIENTO
Esquema eléctrico 2
2.3 se conectó el circuito, y se marcó con un lápiz la desviación de la aguja de la brújula. 2.4 se desconectó el circuito, y luego se quitó el núcleo de hierro, se volvió a conectar y se marcó nuevamente la desviación de la aguja. Esquema eléctrico 3 Realización 2. Se modificó el circuito 1, según el esquema eléctrico 2, se quitaron las bobinas de la placa reticular o de cualquier objeto metálico. 2.2 se trazó en una hoja de papel dos rectas que se cruzaron perpendicularmente (como se ve en la figura). Se colocó la brújula sobre el papel, de forma que el punto de giro coincidiera con el punto de cruce de las dos rectas. Se levanto ligeramente la brújula, y se giro la hoja de papel hasta que la línea norte-sur coincidiera con la orientación de la aguja. Se colocó el módulo de la bobina (conectado) sobre la línea perpendicular a la línea de los polos de tal forma que: -
el eje de la bobina fuese la prolongación de esta línea. La distancia entre el módulo de la bobina y el punto de giro de la aguja de la brújula fuese de 10 cm.
2.5 se conectó el amperímetro en uno de los cables de alimentación de la bobina, se introdujo de nuevo el núcleo de hierro en la bobina y se conecta otra vez el circuito. Se marcó en el papel la desviación de la aguja, se redujo a la mitad la intensidad, variándose la tensión en la fuente de alimentación y se comparó la desviación de la aguja con el anterior punto. 2.6 se quitó el instrumento de medida del circuito, se intercambiaron los terminales de la bobina, de forma que la corriente la atravesara en sentido contrario, se observó el sentido de la desviación de la aguja de la brújula. 2.7 se conectó en serie con un cable la bobina de 1600 espiras y la de 400 espiras, se puso en 12 V (ver esquema eléctrico 3) Se colocó una de las bobinas otra vez en el punto de ajuste, luego se colocó el núcleo de hierro en esta bobina. Se colocó la segunda bobina lo más lejos posible de la brújula. Se conectó el circuito y se marcó la desviación de la aguja.
Después se cambió la posición de las bobinas, se introdujo el núcleo de hierro en la bobina del punto de ajuste. Y por último se compararon las desviaciones de la aguja de la brújula. Montaje y procedimiento para la práctica el efecto magnético de la corriente eléctrica en un conductor recto: Se hizo como se observa el en el esquema eléctrico 4.
RESULTADOS
Estos fueron los resultados que se obtuvieron en la práctica de la bobina como electroimán para cada paso: 1.2 sin el núcleo de hierro el campo magnético fue menor y con el núcleo de hierro el campo fue mayor. 2.3 84° al este marcó la desviación de la aguja de la brújula. 2.4 en este paso, se regresó al norte la aguja y sin el núcleo de hierro la aguja marcó 38° al este. 2.5 aquí marco 175,4 sin el núcleo de hierro y 181.0 con el núcleo de hierro, la aguja marco 82° Este a la mitad de la intensidad marco 76° 2.6 para este punto la aguja marco 84° al Oeste.
Esquema eléctrico 4. REALIZACION
1. Guiándose por el amperímetro se puso con la fuente alimentación 2 A. Se abrió el interruptor de la fuente de alimentación. Se formó con los cables un circuito en cortocircuito. Se colocó la brújula en las proximidades del cable, y se dejó que la aguja oscilara en sentido norte – sur 2. Se sostuvo el cable en sentido norte – sur directamente sobre la brújula, y se conectó un instante la corriente. Se observó la aguja 3. Se cambió los polos en la fuente de alimentación
2.7 aquí la aguja marco 90° al Este con la bobina de 1600 espiras, la bobina con núcleo de hierro. Y 24° Este con la bobina de 400 espiras con el núcleo de hierro. Resultados obtenidos para la practica el efecto magnético de la corriente eléctrica en un conductor recto.
La brújula se orienta con el campo magnético terrestre. El norte tiene la dirección del campo magnético terrestre.
3. La orientación depende de la dirección de la corriente y se cambió la polaridad para que cambie la orientación
Al cambiar la polaridad el + apuntaba al norte y el – al sur, cambio la orientación y viceversa
5. Porque se conectan en serie las dos bobinas en el paso 2.7?
ANALISIS DE RESULTADOS
6. Que influencia tendría la inversión del sentido de la corriente
Preguntas y ejercicios Para la práctica de la bobina como electroimán 1. Que es lo que hace que la brújula se desvíe de norte – sur? El campo magnético producido por el núcleo de hierro hace que la aguja de la brújula se desvíe. 2. Que nos dice el hecho de que la bobina con núcleo de hierro produzca una mayor desviación de la aguja de la brújula? El campo magnético generado por este, interacciona 3. Que influencia tiene la intensidad de la corriente sobre la intensidad del campo magnético de la bobina? Cuanto mayor sea la corriente aplicada, el campo magnético de la bobina también aumentara
Para que corriente que fluya por el circuito sea la misma en todo este.
Si se invierte la dirección de la corriente eléctrica, la dirección de campo magnético también cambia. Preguntas y respuestas para la practica el efecto magnético de la corriente eléctrica en un conductor recto. 1. Después de las experiencias con el magnetismo permanente. Con que se puede desviar una aguja magnética Se puede desviar si esta se somete a la interacción de un campo magnético 2. Llevas dos experiencias al primer paso del experimento.
Los pilotos utilizan este sistema para orientarse. En la navegación se utiliza la brújula para orientarse por medio del campo magnético terrestre
4. Que influencia tiene el número de espiras de la bobina sobre la intensidad del campo magnético?
3. Que nos dice el hecho de que al cambiar el sentido de la corriente la aguja se desvíe en otro sentido.
Entre mayor sea el número de espiras de la bobina, mayor será la intensidad del campo magnético de esta. Según la ley de Ampere.
Que la aguja magnética trata de orientarse con la nueva dirección del campo magnético. 4. Utilizando la regla de la mano derecha, intenta dibujar en la siguiente figura el sentido de las líneas de campo: si se coge
el conductor con la mano derecha, de forma que el pulgar señale el polo negativo, los dedos indican el sentido de las líneas de campo.
CONCLUSION
Se concluye de la práctica la bobina como electroimán que: El campo magnético depende de la intensidad de corriente que se le aplique al conductor, y el campo magnético que interactúa, determina los polos norte y sur de un electroimán. Y se comprobó que si un conductor por el cual atraviesa una corriente eléctrica, Como una corriente rectilínea crea a su alrededor un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la distancia con respecto al conductor BIBLIOGRAFIA
[1] Serway. A, Fisca para ciencia e ingenierías, tomo II, McGraw Hill, México 1992, pág. 938, 939 Y 945
