Maquinas Eléctricas 1 CODIGO: E46324 LABORATORIO Nº 1.1 “ELECTROMAGNETISMO”
Alumno (os): Paul Volz Oporto Grupo: D Semestre: 3 Profesor: Alonso Cornejo Tapia Hora: 8:05
1. OBJETIVO: - Realizar pruebas a componentes, equipos y sistemas eléctricos. - Realizar pruebas a imanes naturales y permanentes para determinar su composición - Demostrar la ley de Faraday - Demostrar la ley de Lenz. - Observar el comportamiento del magnetismo mag netismo en corriente continua y alterna.
2. RECURSOS: - Dos imanes naturales. - Limaduras de hierro. - Una bobina con núcleo de hierro, con yugo superior móvil. - Un multímetro ac y dc. - Una brújula. - Fuente de corriente continúa y alterna. - Cables de conexión. 3. FUNDAMENTO TEÒRICO: MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO La naturaleza y origen del magnetismo aún no han sido explicados completamente, se han formulado varias teorías explicando el fenómeno magnético, pero no ha habido aprobación unánime. En magnesia, antigua ciudad de Asia Menor, se encontraron los imanes naturales o Piedra imán, descubriéndose que estas atraían cuerpos pequeños de hierro, más tarde se le llamo oxido magnético de hierro. Históricamente se dice que los fenicios fueron los primeros en aplicar la energía magnética del imán cuando usaron la brújula en sus viajes marítimos comerciales. Siendo así que se usa en la ciencia, industria, navegación aérea y marítima. El magnetismo en la electricidad y la electrónica es fundamental, ya que sin el no sería posible la fabricación de transformadores, motores, generadores, bocinas, audífonos, micrófonos y tantas cosas más que se basan en el magnetismo. IMANES: Se les llama imanes a las substancias que tienen la propiedad de afectar al hierro, acero, níquel, cobalto, cromo y a otros metales, en menor grado. Pueden ser afectados por atracción o repulsión. Los imanes se dividen en: naturales y artificiales.
El imán natural, o piedra imán tiene la propiedad magnética sin la intervención del hombre, es muy abundante en la naturaleza sobre todo en sueles de antigua formación geológica y es explotado en algunos países como mineral de hierro. Los imanes artificiales, son barras de hierro o acero que adquirieron por medios artificiales propiedades magnéticas. La magnetización artificiales se hace por contacto, inducción o bien, por procedimientos eléctricos. Estos imanes son muy usados, dado que conservan su magnetismo. Sin importar la naturaleza del imán, a su alrededor existe un campo magnético, formado por líneas de fuerza imaginaria, se asume que estas líneas sales del polo norte y regresar por el polo sur del imán. Si se juntan dos imanes se observara que polos opuesto se atraen y polos iguales se repelen. PERMEABILIDAD MAGNÉTICA Es la facilidad con que una substancia permite el paso de las líneas de fuerza a través de su masa, en cada substancia magnética la permeabilidad es diferente. La permeabilidad del hierro ofrece menos oposición que el aire de paso de las líneas de fuerza, esto permite que puedan construirse con los audífonos, transformadores, etc. RELUCTANCIA Es la oposición al paso del magnetismo la reluctancia es el equivalente de la resistencia en una corriente eléctrica. En la electricidad: En el magnetismo: Fuerza electromotriz o voltaje (F.E.M.) El campo magnético Corriente Corriente magnética o líneas de fuerza Resistencia Reluctancia ELECTRO MAGNETISMO La corriente eléctrica produce un campo magnético alrededor del conductor, la intensidad de este depende del número de amperios de la corriente; cuanto más fuerte sea la corriente, más fuerte será el campo magnético. Aprovechando este fenómeno, podemos hacer un electroimán, si enrollamos un alambre en forma de bobina (espiral) con núcleo de aire, le aplicamos una corriente eléctrica, las líneas de fuerza no serán tan intensas, obviamente por la reluctancia del aire. Si en cambio le colocamos un núcleo de hierro, las líneas de fuerza serán más intensas y esto generara un campo magnético más intenso y se convierte en un electroimán. Si sabemos la polaridad de un electroimán, se coloca la mano derecha, tal y como lo haríamos si en realidad tomáremos el electroimán, el pulgar indicara el polo sur, los otros dedos indicaran la dirección de la corriente aplicada. INDUCCIÒN MAGNÈTICA
LEY DE FARADAY: Esta indica que siempre que se mueve un alambre a través de las líneas de fuerza de un campo magnético, se genera en este (alambre) una corriente eléctrica, misma que se proporcional al número de líneas de fuerza cortadas en un segundo. LEY DE AMPERE: La ley de Ampere indica, que la línea integral de un campo magnético en una trayectoria arbitrariamente elegida es proporcional a la corriente eléctrica neta adjunta a la trayectoria. LEY DE LENZ: En todos los casos de inducción electromagnética, el voltaje inducido hará que la corriente circule en un circuito cerrada en una dirección tal que el campo magnético originado por esta corriente se oponga a la causa que la produce. 4. Procedimiento
Advertencia ¡En esta etapa se manejarán voltajes peligrosos! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡La fuente debe desconectarse después de hacer cada medición!
Advertencia: Usar lentes de seguridad durante su permanencia en el Taller.
Advertencia: Usar botas de seguridad durante su permanencia en el Taller.
5.
Campo magnético y líneas de fuerza: 1.Rocìe limaduras de hierro sobre una placa acrílica transparente y aproxime uno de los polos del imán natural por el lado opuesto de la placa. 2.Esquematizar y describir el fenómeno mostrado.
En el imán se muestra como las limaduras toman la forma de las líneas de entrada y salida del imán. 3. Ahora aproxime por el lado opuesto de placa acrílica los dos polos del imán, esquematice y describa lo observado.
La figura generada por dichas partículas muestra que la barra imanada tiene dos polos magnéticos y las líneas del campo magnético salen de un polo y entran en el otro. En
general el magnetismo presenta una naturaleza dipolar; siempre hay dos polos magnéticos ó centros del campo magnético, separados una distancia determinada. 4. ¿Qué propiedad muestran las líneas magnéticas ya que se debe la forma de su trayectoria? El imán muestra unas líneas de propiedades atractivas y repulsivas, las líneas magnéticas muestran la polaridad del imán y la forma muestra que genera un campo magnético alrededor con sus alteraciones. Determinación de la polaridad: 5. Empleando la brújula, determine la polaridad de un imán.
6. ¿Cuál es el fundamento empleado para determinar la polaridad del imán?
Para determinar la polaridad de un imán se puede emplear una brújula, ya que la brújula en un lado esta inmantada y en la otra no. Con ayuda de la punta norte de la brújula, apuntará el sur, de tu imán incógnita. El fenómeno del magnetismo de un material, es el ordenamiento de los electrones, tal que sus momentos magnéticos se sumen. En el caso de estos materiales, el ordenamiento es molecular.
7. Armar el circuito mostrado en la figura Nº2. 8. Aplique 25 V dc al electroimán y con eso determine la polaridad del electroim án.
9. Luego invierta la polaridad de la fuente, vuelva a verificar la polaridad del electroimán, y describa lo observado.
Con la ayuda de la brújula se detectó el cambio de dirección del campo es decir de norte y sur. Esto se debe a que el campo está ligado a la dirección de la corriente.
10. Con un voltímetro de doble polaridad conectada a una bobina con núcleo de aire, sométela a la influencia del imán permanente con un movimiento en vaivén, tanto con el polo norte como el polo sur.
11. ¿Cómo demuestra este experimento la ley de Faraday? La ley de Faraday indica que siempre que se induce un campo magnético a unas espiras esta induce electricidad, el fenómeno ocurre en la experiencia ya que con el iman inducimos un campo magnético.
Efecto de la reluctancia: 12. Armar el circuito mostrado en la figura 4 y alimente por uno de los extremos con 0.5 A en corriente alterna y haga mediciones del voltaje inducido en el lado secundario del transformador, con y sin el yugo superior.
13. ¿A qué se deben las diferencias en las lecturas ac usadas por el voltímetro? Se debe a que el campo magnético no es constante, ya que la onda de la corriente.
Como vemos se crea una onda alterna y por la tanto el campo también. 14. Al mismo circuito aplique 48 Vdc y mida la tensión inducida en el secundario. ¿ se induce voltaje en el secundario? ¿Porque? Esto se debe a que el primer transformador emana un campo magnético pero este es estático. Y la tensión en el secundario es debido a la variación del campo magnético, y un campo magnético variable se produce con corriente alterna. Si el campo es producido por corriente continua, es fijo, no varía.
Ley de LENZ:
15. Armar el circuito mostrado en la figura 5 y alimente la bobina con 0.5 A en corriente alterna y observe el anillo de cobre.
19. ¿Qué sucede con el anillo de cobre? ¿Cómo demuestra esto la ley de Lenz?
El anillo se pega y da un solo salto, esto se debe a la levitación. La levitación depende del "cambio de campo magnético con respecto al tiempo”, en otras palabras depende de la frecuencia. La fuerza depende de la frecuencia.
6. CUESTIONARIO: 1- ¿Qué es la permeabilidad magnética? La permeabilidad magnética es la facilidad con que un material puede ser magnetizado y se denota µ.
Los materiales tienen diferente permeabilidad magnética, siendo para el aire ylos materiales no ferromagnéticos
En los materiales ferromagnéticos µ es
bastante alta.
2- ¿En que consiste la ley de Ampere, enuncie la ecuación de su ley y explique? Como consecuencia de estos dos fenómenos, dos corrientes eléctricas interaccionan entre sí. En el caso de dos tramos de corriente eléctrica rectilíneos y paralelos de longitud L, intensidad I y sentido contrario la fuerza de interacción viene dada por:
La fuerza será inversamente proporcional a la distancia que separa los (centros de los) conductores y directamente proporcional al producto de las intensidades de corriente eléctrica que circulan por ellos.
3- En que consiste la regla de Fleming de electromagnetismo? ¿Haga una gráfica?
La regla de la mano izquierda, o regla de Fleming de la mano izquierda es una ley mnemotécnica utilizada en electromagnetismo que determina el movimiento de un conductor que está inmerso en un campo magnético o el sentido en el que se genera la fuerza dentro de él.
4- ¿Dar la definición de los siguientes conceptos? Material diamagnético: Es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos los cuales son atraídos por los imanes. Por ejemplo bismuto.
Material Paramagnético: Se denomina materiales paramagnéticos a los materiales o medios cuya permeabilidad magnética es similar a la del vacío. Estos materiales o medios
presentan en una medida despreciable el fenómeno de ferromagnetismo. En términos físicos, se dice que tiene un valor aproximadamente igual a 1 para su permeabilidad magnética relativa, cociente de la permeabilidad del material o medio entre la permeabilidad del vacío.
Material antimagnético: Que está exento de la influencia magnética. Ferritas: En metalurgia una de las estructuras cristalinas del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene propiedades magnéticas. Se emplea en la fabricación de imanes permanentes aleados con cobalto y bario, en núcleos de inductancias y transformadores con níquel, zinc o manganeso, ya que en ellos quedan eliminadas prácticamente las Corrientes de Foucault. 5. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
Desde muy antiguamente se conocía la física pues se puede leer que los griegos apreciaban el magnetismo aunque solo con imanes. Y con ayuda de brújulas de identificaron estos fenómenos. Al desarrollar los experimentos , se hace necesario observar la teoría para ello debemos considerar las experiencias efectuadas por el físico danés Hans Christian Oersted que llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica, este descubrimiento, mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo. Así mismo Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Por lo que podemos concluir que Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético, mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica. Es posible establecer que todos aquellos fenómenos magnéticos cuando dos cargas están en movimiento, entre ellas surge una fuerza que se denomina fuerza magnética. Todas las manifestaciones de fenómenos magnéticos se pueden explicar mediante esta fuerza existente entre cargas eléctricas en movimiento. De manera que la desviación en la aguja del experimento de Oersted, se debió a la existencia de dicha fuerza, también ésta es la responsable de la orientación de la aguja magnética en la dirección Norte-Sur; La atracción y repulsión entre los polos de los imanes incluso una consecuencia de esta fuerza magnética. Así mismo se ve la aplicación de la ley de ampere con la relación proporcional de campo magnético y corriente eléctrica. Otra observación importante es la de Lenz que hace referencia sobre la inducción electromagnética.
ANEXO 01
Relojes antimagnéticos y... cómo acabar con la vida en la Tierra
A propósito de los relojes mal llamados antimagnéticos, quiero compartir algunas reflexiones sobre el "antimagnetismo", el magnetismo en general, y su impacto en los relojes y en la vida en nuestro planeta...
Lo que uno desea en un reloj, en especial en uno mecánico, es proteger su delicado mecanismo del polvo, el agua, los impactos y el magnetismo. Todo ello afectaría su correcto
funcionamiento. En los relojes mecánicos el magnetismo es nocivo porque puede hacer que piezas metálicas internas como la espiral (el corazón del reloj) se magneticen y provoquen un funcionamiento errático de la máquina. La espiral en particular, al magnetizarse empieza a pegarse con ella misma, funcionando como si fuera una espiral más corta, y adelantando el paso del reloj de manera drástica.
¿Por qué una espiral más corta adelantaría un reloj mecánico? Bueno, una forma fácil de entenderlo es pensar en una cuerda de guitarra. Al tocarla ésta produce un sonido característico de una frecuencia dada que tiene que ver con las propiedades del material con el que está hecha la cuerda y de la longitud de la misma. Ahora, si se "pisa" la cuerda en algún punto intermedio, se cambia la longitud efectiva de la cuerda, cambiando en consecuencia la frecuencia del sonido que esta puede producir. Lo mismo pasa con la espiral de un reloj, al pegarse sus paredes entre sí, la espiral se comporta como si fuera más corta y cambia de frecuencia de vibración, adelantando el reloj.
Los relojes mecánicos sin protección especial, son más susceptibles a ser magnetizados que los de cuarzo, pero normalmente el efecto es pasajero ya que después de algunas horas o días los materiales de los que está construido pierden casi toda la magnetización que pudieran haber adquirido. Aun si no lo hacen, es fácil para un técnico relojero desmagnetizar un reloj mecánico con un aparato diseñado para ello. Por el contrario, la maquinaria de los relojes de cuarzo tiene pocas piezas metálicas, pero sí contienen unos pequeñísimos magnetos que controlan la vibración del cuarzo y el ritmo d el reloj. Cuando estos llegan a magnetizarse, lo hacen de manera permanente y dejan el reloj listo para la basura.
De hecho es imposible que cualquier cosa metálica no tenga algún residuo, si bien pequeño, de magnetización. En parte porque los metales son materia que está construida de átomos y moléculas que tienen propiedades magnéticas de por sí. Y en parte porque los metales siempre estarán sometidos a un campo magnético del cual no nos podemos deshacer: el de la Tierra. Incluso los organismos vivos pueden tener células magnetizadas, hecho que los geólogos han usado para deducir a partir de arqueobacterias magnetizadas, los cambios del campo magnético de la Tierra desde el inicio de la vida misma.
En fin, si no quieren que su reloj mecánico los haga llegar demasiado temprano a su próxima cita, no lo dejen cerca de campos magnéticos intensos como cerca de bocinas, pantallas de televisión y motores eléctricos como los presentes en licuadoras, batidoras etc. O bien, asegúrense que su reloj sea de los llamados antimagnéticos...
¿Cómo funciona un reloj antimagnético? O mejor dicho... ¿Cómo se proteje de l magnetismo el mecanismo de un reloj?
El término antimagnético me hace pensar más en algo que acaba con el magnetismo que en algo que está protegido contra él, pero también me hace pensar en que hay formas peores de arruinarse el día con el magnetismo que dejar un reloj en el lugar inadecuado. Algún artefacto antimagnético que pudiera desaparecer el campo magnético de la tierra sería un ejemplo.
El magnetismo terrestre es visto normalmente con algo más que una superficial curiosidad por la mayoría de las personas. Nada más alejado de la realidad. De hecho el magnetismo de la Tierra es vital para la existencia de la vida como la conocemos. Dejaremos aquí de lado la relevancia del magnetismo en la navegación, que los chinos explotaron para beneficio de sus flotas desde hace ya bastantes siglos, para concentrarnos un efecto algo más trascendente.
El Sol provee a la Tierra con toda la energía que sustenta la vida, pero de igual forma podría acabar con ella en pocos minutos. Y no tendría que ocurrir ningún evento catastrófico en el Sol, únicamente tendría que desaparecer o debilitarse lo suficiente el campo magnético de la Tierra. De hecho hoy sabemos que ese campo ha tenido fluctuaciones y debilitamientos importantes a lo largo de la historia de nuestro planeta madre. Tampoco hay que dar por hecho que siempre estuvo o que siempre estará allí. El campo magnético de nuestro planeta es otra de sus rarezas que explican en parte la existencia de vida en él. Un planeta tan similar en tamaño y composición esencial como lo es Ven us, no tiene ningún campo magnético apreciable que lo proteja. Marte tampoco tiene actualmente un campo magnético de consideración, aunque hay evidencia de que alguna vez lo tuvo. Ambos planetas tampoco parecen albergar vida actualmente. ¿Coincidencia? Probablemente no.
El Sol emite constantemente, como subproducto de las reacciones atómicas que mantienen su fuego, partículas cargadas de muy alta energía. Tan alta, que si nos atravesaran destruirían fácilmente la estructura de las proteínas y demás compuestos orgánicos de las que estamos
hechos los organismos vivos. Este conjunto de partículas viajando desde el Sol es lo que se conoce como viento solar. Esta radiación letal bombardea sin misericordia la superficie de planetas como Marte y Venus que no cuentan con ninguna protección. La Tierra sin embargo, tiene una sombrilla mágica: su campo magnético.
El campo magnético, ya sea de un imán o el de la Tierra, tiene el efecto de desviar las trayectorias de cualquier partícula cargada, curvándolas. Este efecto se aprovecha en los televisores de cinescopio para que los electrones (un tipo de partícula cargada) sean desviados a distintas partes de la pantalla y se produzca una imagen de televisión. Aquí es donde entra el campo magnético como protección, actuando como un imán gigantesco que desvía las partículas cargadas y haciendo que las mismas se muevan en espiral hacia los polos de la Tierra mientras pierden más y más de su letal energía. Cuando estos minúsculos y letales visitantes del Sol son obligados a girar rápidamente por el campo magnético terrestre, pierden la mayor parte de su energía en forma de radiación que son percibidas por los habitantes de latitudes arriba del los círculos polares, como hermosas auroras boreales y australes, según el caso. Literalmente, la muerte que traería el viento solar es convertida en una multicolor danza luces por efecto de nuestra sombrilla magnética.
El campo magnético sí que es algo para ponerse a pensar. En especial cuando hoy en día no está nada claro para la ciencia cómo es que la Tierra genera este campo magnético relativamente potente mientras sus primos planetarios como Marte y Venus no lo hacen. Pero sin duda es requisito para la vida en este planeta. No sabemos tampoco si ese campo puede desaparecer de pronto o si hay algo en nuestro planeta que lo pueda sostener de manera indefinida. Afortunadamente, hace falta más que un reloj antimagnético para terminar con el vital campo magnético de nuestro planeta.
En la práctica no se puede crear una barrera contra el magnetismo o inhibirlo con algo "antimagnético". El campo magnético es una manifestación de la naturaleza que atraviesa casi todos los materiales que conocemos. Así que lo que se hace en la práctica es envolver la mecánica o electrónica de los relojes en una cápsula de ciertos materiales que conducen tan bien el campo magnético, que entonces relativamente poco campo alcanza a penetrar las partes vitales del reloj. Es similar a lo que pasa cuando uno coloca un pararrayos en un edificio. La idea es poner un cable conductor de electricidad tan bueno desde el techo del edificio hasta el suelo, que la descarga del rayo atraviesa hasta el suelo principalmente a través del cable metálico en vez de a través d el edificio, minimizando los daños. En el caso de un reloj, si se le protege con un material que "conduzca" muy bien el campo magnético, naturalmente pasará en su mayor parte concentrado en este material y dejará intactas las piezas dentro del reloj. El material más usado para lograr esta protección es el hierro dulce, que hace el trabajo de protección junto con el acero del que están construidos prácticamente todos los relojes llamados antimagnéticos. Además el hierro dulce es un material que se conoce como magnéticamente suave porque que conduce bien el camp o magnético pero también conserva muy poca magnetización cuando se le retira de la influencia del mismo.
Esta es la parte más importante de la protección magnética de los relojes, pero no la única. Hoy en día, para las partes críticas como la espiral o el volante se usan materiales como el silicio y aleaciones especiales de metales que son amagnéticos, lo cual quiere decir que no son susceptibles de ser magnetizados tan fácilmente como el acero y otras aleaciones que antes se usaban para estas partes. Sin embargo, se siguen usando mucho materiales como la aleación Nivarox en las espirales a pesar de ser relativamente magnetizable, ya que presentan deformaciones casi nulas ante cambios de temperatura, algo que también debe cuidarse en un reloj. Los materiales nuevos que recién mencioné pueden ser amagnéticos, pero no necesariamente son inmunes a otros cambios que un reloj de calidad debe soportar sin variar su paso.
Es difícil hacer relojes protegidos contra los campos magnéticos de materiales como el oro o el Titanio ya que ni son amagnéticos ni tienen el efecto protector del hierro. Y si han de ser protegidos de los efectos deletéreos de la magnetización, la capa de protección interna de hierro dulce los haría más pesados de lo deseable. Relojes antimagnéticos muy buenos son actualmente comercializados por marcas como IWC, Sinn, Rolex, Damasko y Ball entre otros.
Por cierto que la ventanita trasera que permite ver el mecanismo del reloj y que tan de moda está en los relojes mecánicos modernos, no es posible en un reloj antimagnético ya que
habría una zona por la cual el campo magnético penetraría sin problema. A continuación les comparto una imagen del sistema de protección magnética diseñado para un reloj Sinn. La carátula, la montura en donde va la máquina y la tapa trasera que se ven en la imagen son de hierro dulce (puro) y constituyen, cuando el reloj está armado, la protección del reloj al magnetismo.
No hay entonces nada que combata el magnetismo en los llamandos relojes antimagnéticos, por el contrario, las cajas de estos relojes están construidas de materiales tan afines al campo magnético que los acaparan en gran parte, protegiendo las piezas de la maquinaria interna del reloj. Un reloj sin este tipo de protección como son los de oro y otros materiales no deberían tener problemas si se pone atención en el lugar en el que se guardan y usan, pero si el trabajo o la actividad de uno involucra cercanía con campos magnéticos intensos como en el caso de los pilotos, ingenieros industriales, médicos radiólogos o de resonancia magnética RMN, es mejor contar con uno de estos relojes con especificación antimagnética para evitar dañarlos.
Finalmente, es importante entender que aún un re loj antimagnético no puede protegerse de un campo arbitrariamente fuerte. Para los amantes de los números y las regulaciones, un reloj puede marcarse y comercializarse como antimagnético (magnetic resistant) según la norma ISO 764 o DIN 8309 si no se atrasa o adelanta más de 30 segundos por día al sometérselo a una intensidad de campo magnético de 4,800 A/m (Ampere por metro). Los mejores relojes antimagnéticos pueden soportar intensidades magnéticas 20 veces superiores. Y es necesario en algunos casos, 4,800 A/m es menos de lo que puede producir cualquier imán casero, así que no es mucha protección pasar el está ndar de las normas para ser catalogado como resistente al magnetismo o antimagnético. Para dar una idea de lo fácil que es en la
práctica que los usuarios vean afectados sus relojes por el magnetismo sin percatarse de ello, es interesante mencionar un estudio del fabricante relojero Sinn, el cual encontró que 60% de los relojes que recibía para servicio de rutina, estaban magnetizados, y en la mitad de estos la magnetización había afectado seriamente el paso del reloj o dañado la espiral.
