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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática Carrera de Ingeniería Civil
FÍSICA II Segundo Semestre Paralelo 1 Dr. Raúl Puebla
LEVITACIÓN DE UNA BOBINA Domenica Gachet Cristian Noguera Carlos Paz Sergio Saltos Kathy Saltos Alexis Villalba
2017-2018
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INDICE
1.
Tema ............................................................................................................................................................ 3
2.
Introducción................................................ ................................................................................................. 3
3.
Planteamiento del Proyecto ......................................................................................................................... 4
4.
Objetivos ..................................................................................................................................................... 4
5.
Fundamento Teórico .................................................................................................................................... 5 Magnetismo ....................................................................................................................................................... 5 Tiposde imanes ................................................. ................................................................................................. 7
6.
Materiales, Herramientas y Equipo ................................................. .......................................................... 10
7.
Procedimiento ............................................................................................................................................ 14
8.
Datos .......................................................................................................................................................... 15
9.
Cálculos Típicos .................................................. ...................................................................................... 15
10.
Conclusiones .......................................................................................................................................... 17
11.
Recomendaciones .................................................................................................................................. 17
12.
Anexos ................................................................................................................................................... 18
13.
Bibliografía ............................................................................................................................................ 18
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1. Tema: Levitación de una Bobina 2. Introducción El magnetismo es un fenómeno natural por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros objetos. Hace 2500 años se observaron los primeros fenómenos magnéticos, a partir de ese momento se han realizado diversos estudios para comprender el funcionamiento del imán, además con todos los descubrimientos actualmente el magnetismo conforma gran parte de la tecnología que nos rodea. En el año 1820 se evidenció una relación entre el magnetismo y las cargas eléctricas, lo cual permitió determinar que una carga en movimiento crea un campo magnético en el espacio que lo rodea y una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia del conductor, a esto se le dio el nombre de electromagnetismo. La Tierra es un gigantesco imán natural que permanentemente ejerce un campo de fuerza, el campo magnético de un imán mantiene una estructura que depende de la forma del imán, pero siempre se conserva el mismo principio, dos polos (un norte y un sur), si juntamos dos polos de similares características tienden a repeler, pero si juntamos polos de diferentes características, estos se van a atraer. Los campos magnéticos se refieren al espacio en el cual se manifiesta la acción de un imán, son representados a través de líneas de campo, las mismas que emergen de un polo, rodean el imán e ingresan por el otro polo, con ello se puede d eterminar que el campo que tiene mayor atracción, es decir donde las líneas están más juntas (los polos). Uno de los más grandes inventos es la brújula, la cual señala el norte magnético de la Tierra, que no coincide con el norte geográfico, es decir existe una declinación ma gnética que cambia con el pasar de los años. Es importante mencionar que el polo norte magnético se encuentra en el sur, cercano al polo sur geográfico y el polo sur magnético se encuentra cercano al polo norte geográfico, esto justifica que el polo norte de la aguja magnetizada del compás señale hacia el Norte geográfico. Por otro lado, es importante reconocer que a pesar de qu e no lo observamos, siempre tenemos contacto con campos magnéticos, un estudio de la NASA confirmó que la ausencia prolongada de atracción al campo magnético terrestre puede provocar en noso tros osteoporosis y una fuerte depresión. Razón por la cual, las naves espaciales tienen campos magnéticos artificiales, para reducir estos efectos sobre la salud de los astronautas.
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3. Planteamiento del Proyecto En el experimento se pondrán en funcionamiento dos principios básicos del magnetismo y electromagnetismo. Se trata de la creación de un campo magnético uniforme y constante con el uso de una bobina de alambre de cobre que estará envuelta en forma de un aro, por la misma se pasará corriente eléctrica y esto brindará como resultado un campo magnético a través del centro de la bobina de alambre. Es decir, se creará un electroimán.
Debemos tomar en cuenta que la fuerza del campo magnético (B = µnI) es proporcional a tanto el número de vueltas del alambre por unidad de longitud (n = N / L) y la fuerza de la corriente que pasa a través del alambre.
El imán de neodimio (imán artificial formado por una combinación de hierro, boro y neodimio) es el que se debe utilizar para que el proyecto funcione exitosamente ya que este tipo de imán permite conducir electricidad.
El circuito debe ser realizado desde el terminal positivo de la batería, a través del alambre de cobre y de vuelta al terminal negativo de la batería. Este circuito local proporciona la corriente para crear el campo magnético dentro de la bobina.
4. Objetivos Objetivo General:
Determinar la intestad y el voltaje que se produce al levitar una bobina a través de un campo electromagnético producido por un imán y una corriente alterna.
Objetivos Específicos:
Calcular el peso que soporta la bobina cuando se encuentra en levitación, es decir encontrar su punto de equilibrio a través de masas.
A través de un voltímetro y un amperímetro calcular la cantidad de energía que necesita la bobina para levitar.
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5. Fundamento Teórico Levitación Magnética
Figura N°1 (Líneas del campo magnético)
Llamamos levitación magnética al fenómeno por el cual un material puede levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”, que expli caremos más adelante, que es una propiedad inherente a los superconductores. La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estas condiciones de temperatura son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, y además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad.
Magnetismo El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Algunos materiales conocidos presentan propiedades magnéticas que se d etectan fácilmente algunos de ellos son: níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones a estos se les llama imanes. Aunque todos los materiales son agregados de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. El magnetismo también tiene otras formas en la física .uno de los componentes de la radiación electromagnética, un ejemplo es: la luz.
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Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones más. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo
Figura N°2 (campo magnetico)
IMÁN
Figura N°3 (Imán Artificial)
Un imán tiene la completa capacidad de producir un campo magnético lo cual en su exterior es capaz de atraer al hierro de la misma manera al níquel y al cobalto. Existen imanes de origen natural y artificial. Por lo general los imanes naturales mantienen sus propiedades de forma permanente como es el caso de la magnetita. Los imanes artificiales se crean a partir de la al eación de diferentes metales. La atracción que poseen los imanes es más potente y evidente hacia sus polos (Norte - Sur). Las líneas de fuerza son trazos imaginarios que van de polo es decir de Norte Sur por fuera del imán y en sentido contrario por su parte interna. En un imán la capacidad de atracciones es mayor en sus
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extremos e polos. Estos polos se denominan Norte y Sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.
La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarais, cerradas, que van del polo norte al Polo Sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste. Tipos de imanes
Figura N°4 (Imán Natural)
Imanes Naturales La magnetita es un potente imán natural, tiene la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas. Su característica de atraer trozos de hierro es n atural. Está compuesta por óxido de hierro. Las sustancias magnéticas son aquellas que son atraídas por la magnetita. Está compuesta por óxido de hierro.
Imanes Artificiales Permanentes Son las sustancias magnéticas que al tener contacto con la magnetita se convierten en imanes y conservan durante un largo tiempo su propiedad de atracción.
Imanes Artificiales Temporales Son aquellos que producen un campo magnético solo cuando pasa por ellos una corriente eléctrica. Un ejemplo es el electroimán.
Levitación Magnética La levitación magnética se presenta cuando se enfrentan dos campos magnéticos de polaridades iguales, pero está presenta una tercera fuerza que es la gravitacional. Si se enfrenta un imán con su polaridad norte encima de otro imán de polaridad norte también, los dos imanes se repelen entre sí, pero al estar uno encima de otro, el que se encuentra arriba experimenta la fuerza gravitacional hacia abajo y la
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fuerza magnética hacia arriba. Estas dos fuerzas actuando sobre el mismo cuerpo provocan un equilibrio y el imán no cae pero tampoco sube por la fuerza magnética. El imán se verá como suspendido, esto suspensión se denomina levitación. El término magnético se origina por la presencia de los campos magnéticos del imán.
Electroimán Dispositivo Consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje. Al colocar el núcleo de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partículas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético generado por el solenoide. La imantación del núcleo alcanza la saturación cuando todos los dominios están alineados, por lo q ue el aumento de la corriente tiene poco efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual.
Efecto Meissner También denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desap arición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica. Fue descubierto por Walter Meissnery Robert Ochsenfeld en 1933, midiendo la distribución de flujo en el exterior de muestras de plomo y estaño enfriados por debajo de su temperatura crítica en presencia de un campo magnético. Meissner y Ochsenfeld encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor y que las líneas de campo magnético son expulsadas del interior del material, por lo que este se comporta como un material diamagnético perfecto. La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura.
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Principio de levitación magnética
Todos los sistemas que utilicen levitación magnética para sustentar elementos ferromagnéticos deben contar, por lo menos, con dos elementos: un sistema eléctrico, constituido por una fuente variable de voltaje y una bobina; un sistema electromecánico, que utiliza la energía eléctrica almacenada en la bobina en forma de campo magnético para compensar la energía mecánica. Esta última relación se comprueba físicamente como el equilibrio de fuerza magnética y mecánica.
F = ma
F: son las fuerzas aplicadas al sistema, m es la masa del cuerpo y a es la aceleración el mismo. Las fuerzas que actúan sobre el sistema son:
mg: Fuerza producida sobre la masa m del cuerpo debido a la aceleración del campo gravitatorio terrestre g.
kv: Fuerza originada por la fricción o rozamiento del cuerpo. F(y, i) : Fuerza ejercida por las bobinas de los raíles. La sumatoria de fuerzas está dada por la ecuación
F = mg − kv + F(y, i) ==> mg − kv + F(y, i) = ma
Utilización actual de levitación magnética Los trenes Maglev. La levitación magnética (Maglev) es famosa por sus usos en el transporte, sobre todo los trenes. Alemania y Japón son pioneros en el desarrollo de los trenes Maglev. Japón y China tienen los trenes Maglev comerciales en uso en este momento. Un tren de levitación magnética es un vehículo que utiliza las ondas magnéticas para suspenderse por encima del carril e impulsarse a lo largo de un carril-guía. Nos centraremos en el uso de la levitación magnética en los trenes Maglev.
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Sistema de funcionamiento del tren de levitación magnética de alta velocidad.
Figura N°5 (Tren Maglev)
6. Materiales, Herramientas y Equipo Elementos Tablas Triplex
Cantidad
Dimensiones
4
3.6 cm x 14.2 cm x 0.3 cm
1
14.5 cm x 14.5 cm x 0.3 cm
Alambre de cobre número 24
1 Rollo
Ø 0.5106 mm
Alambre de cobre número 24
1 Rollo
Ø 0.3211 mm
Imagen
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Alambre de Aluminio número 31
50 (cm)
Ø 0.2268 mm
Imán
1
Diámetro externo Ø 10 cm Diámetro interno Ø 5 cm
Transformador
1
Pistola de Silicona
1
Barra de Silicona
1
Ø 8 mm
Cinta Masking
1 Rollo
12 mm x 50 m
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Hilo
1 Rollo
Ganchos Pitón
4
Cemento de Contacto
1 Recipiente
Pintura en spray
Soldador Eléctrico
Multímetro
1
1
1
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Descripción de cada elemento 1.
Tabla Triplex: Producto derivado de la madera que consiste en un tablero elaborado con finas chapas de madera pegadas con las fibras transversalmente una sobre la otra con resinas sintéticas mediante fuerte presión y calor.
2. Alambre de Cobre: Es un alambre fabricado a base de cobre de alta pureza con un contenido mínimo de 99,9 % de Cu. El alambre de cobre se produce a partir del alambrón y mediante un proceso de desbaste y con un horno de recocido, este tipo de alambre tiene una alta conductividad, ductilidad y resistencia mecánica así como gran resistencia a la corrosión. Valor de conductividad: 5,96 × 107 (S·m−1) a una temperatura de 20°C.
3. Alambre de aluminio: Fabricados a partir de aluminio, obtenido por refinación electrolítica con pureza de 99,5 %. El alambre de aluminio presenta una baja densidad, alta conductividad y ductilidad. Valor de conductividad: 3,78 × 107 (S·m−1) a una temperatura de 20°C.
4. Imán: Cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que atrae o repele a otros imanes y/o metales ferromagnéticos.
5. Transformador de voltaje: Dispositivo utilizado para la manipulación o conversión de los valores de un voltaje inicial de entrada, a un segundo voltaje diferente o de salida. Valor del transformador: De 110v a 12v
6. Pistola de Silicona: Maquina que utiliza resistencia eléctrica para generar calor y derretir un extremo de una barra de pegamento, misma que puede ser empujada a través de la pistola por un gatillo o directamente por el usuario.
7. Barra de Silicona: Pegamento termofusible, también conocido como pegamento en caliente, pegamento de poliéster o termocola, es un tipo de adhesivo termoplástico que se suple con barras sólidas y cilíndricas de diámetros diversos, diseñados para derretirse en la pistola caliente.
8. Cinta de Masking: Tipo de cinta adhesiva fabricada generalmente con papel, de fácil desprendimiento y autoadhesiva.
9. Hilo: Hebra larga y delgada laborada de un material textil sintético o natural. 10. Gancho Pitón: Pieza de metal utilizado para sujetar, presenta en un extremo un gancho y en el otro una rosca triangular que, mediante una fuerza de torsión, se puede introducir en un agujero roscado a su medida o atravesar las piezas y acoplarse a ellas.
11. Cemento de contacto: Pegamento extra fuerte elaborado de policloroprenos de tipo emulsión.
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12. Pintura en Spray: Recipiente donde se almacena pintura liquida, cuenta con un dispositivo en la parte superior que permite expulsar la pintura en forma vaporizada (reducido a gotas muy finas). El mecanismo de expulsión puede ser activado manualmente o mediante un gas.
13. Soldador Eléctrico: También conocido como cautín o cincel, es una herramienta eléctrica usada para soldar. Funciona convirtiendo la energía eléctrica en calor, que a su vez provoca la fusión del material utilizado en la soldadura.
14. Multímetro: Instrumento eléctrico portátil para medir directamente magnitudes eléctricas activas, como corrientes y potenciales (tensiones), o pasivas, como resistencias, capacidades y otras.
7. Procedimiento 1.
Con las tablas triplex realizar una caja cuadrangular usando como base la tabla de dimensiones: 14.5 cm x 14.5 cm x 0.3 cm y pegando en cada cuadrante una tabla de dimensiones: 3.6 cm x 14.2 cm x 0.3 cm; pegar cada elemento con la ayuda de la pistola de silicón y la barra de silicón.
2. Pintar la caja elaborada con el spray para obtener una mejor presentación. 3. Pegar con cemento de contacto el Imán en el centro del lado interno de la caja elaborada anteriormente. 4. Colocar en cada vértice del lado externo de la caja un gancho de pitón. 5. Elaborar una bobina con el alambre de cobre. a. Para elaborar una bobina es necesario enroscar o envolver el alambre de cobre sobre un cuerpo circular no mayor al diámetro del imán (10cm) dejando dos extremos libres y contando el número de vueltas. b. Cuando se obtenga un espesor considerable, cortar el extremo de alambre unido al rollo. c. Desprender el alambre ya enrollado del cuerpo circular y asegurar con masking cuatro puntos paralelos del alambre enrollado. 6. Con un extremo de hilo sujetar un punto de la bobina y con el otro extremo sujetar levemente a un gancho pitón. 7. Repetir el paso 6 para cada gancho de pitón. (recordar que cada extremo sujetado en la bobina debe ser paralelo a otro para lograr estabilidad). 8. Ubicar la bobina en el centro del lado externo de la caja. 9. Recortar el alambre de aluminio en dos alambres de 10cm de longitud cada uno. 10. Uno de los extremos suelto del alambre que forma la bobina, unirlo con un extremo de uno de los alambres de aluminio por medio el cautín o soldador eléctrico. 11. Repetir el paso 10 para el otro extremo del alambre de la bobina. 12. Unir los extremos sueltos de los alambres de aluminio con el transformador de voltaje.
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13. Conectar el transformador a la corriente de pared, una vez hecho esto, la bobina va a empezar a levitar. 14. Estabilizar la levitación de la bobina con la manipulación de cada hilo tensionándolo o no hasta llegar a un punto de equilibrio 15. Llegado al punto de equilibrio, asegurar cada hilo en los ganchos de pitón con un amarre fuerte. 16. Conectar el multímetro a cada alambre de aluminio para la obtención de datos necesarios.
8. Datos Tabla N°1 Bobina
Calibre
# de vueltas
Longitud [m]
Masa [Kg]
Diámetro [m]
1 2
24 28
62 50
18 15
0.014 0.027
0.09 0.09
Tabla N°2 Bobina
Masa tolerada [Kg]
Voltaje [V]
Intensidad [A]
1 2
0.061 0.044
6.36 2.26
1.40 1.77
Datos Adicionales Gravedad Teórica Terrestre: 9.8 [m/s2] Masa del Imán: 0.24 [kg] Masa de la caja: 0.103 [kg] Longitud en una vuelta: aproximadamente 0.285 [m]
9. Cálculos Típicos Área de la bobina:
=
2 4
Bobina
Diámetro [m]
Área [m2]
1 2
0.09 0.09
6.36x10-3 6.36x10-3
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Resistencia
=
Bobina
Voltaje [V]
Intensidad [A]
1 2
Resistencia []
6.36 2.26
1.40 1.77
4.54 1.28
Masa total
= + Bobina
Masa bobina [Kg]
Masa tolerada [Kg]
Masa total [Kg]
1 2
0.014 0.027
0.061 0.044
0.075 0.071
Campo Magnético
=
Bobina
Campo Magnético [T]
1 2
1.33 1.24
ú (Á) =
Bobina
Masa total [Kg]
Gravedad [m/s2]
# de vueltas n
Intensidad [A]
Área [m2]
1 2
0.075 0.071
9.8 9.8
62 50
1.40 1.77
6.36x10-3 6.36x10-3
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10. Conclusiones
En conclusión se puede crear un campo magnético uniforme y constante con el uso de un imán de neodimio y corriente eléctrica, lo cual significa que tenemos una gran ventaja y es que podemos activarlo y desactivarlo cada vez que sea necesario, además podemos variar el campo magnético con el simple hecho de disminuir el voltaje de corriente.
El magnetismo produce el movimiento de electrones dentro de sus átomos esto hace que al momento de dar una corriente a la bobina está tiende a tomar una dirección al azar, es decir se vuelve un imán, que al ser ubicado del lado correcto repele los polos y logramos levitar la bobina. Al colocar masas sobre cada una de las espiras, se busca un equilibrio y gracias a este experimento realizado con dos bobinas diferentes notamos que el campo magnético soporta aproximadamente el mismo peso, con una pequeña diferencia que se justifica en la irregularidad de la bobina y la ubicación de la misma.
Se realizó un completo análisis electromagnético del sistema elaborado, aclarando de manera eficiente conceptos de circuitos magnéticos y de campos inducidos por corrientes, llegando así a una completa compresión del funcionamiento magnético del sistema.
11. Recomendaciones
Se recomienda tomar en cuenta los materiales a usar en el experimento debido a que si no contamos con una batería de alto voltaje y no contamos con un transformador del mismo, este no produce una repulsión en la bobina y esta no llegará a levitar es decir los electrones dentro de sus átomos no tienden a salir al azar dentro del campo magnético. Tomar en cuenta que el transformador debe ser conectado por corriente directa ya que es de corriente continua y así genera un campo magnético de caso contrario llega a quemarse el mismo.
Se recomienda realizar una bobina de alambre de cobre de calibre delgado y que esta contenga un promedio de 60-100 vueltas ya que al incrementar este tendrá un campo magnético superior y llegará a levitar más.
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12. Anexos Elaboración de la Bobina
Anexo 1
Anexo 2
Anexo 3
Funcionamiento de la bobina
Anexo 4
Anexo 5
13. Bibliografía
Anónimo. (11 de Enero de 2010). Tecnolowikia. Obtenido de Tecnolowikia: https://tecnolowikia.wikispaces.com/Propiedades+Mec%C3%A1nicas+III
Estrada, J. (14 de 05 de 2007). Monografías.Com. Obtenido de Monografías.Com: http://www.monografias.com/trabajos46/fracturas-mecanicas/fracturas-mecanicas2.shtml
Morales, M. (09 de Noviembre de 2011). Scribd . Obtenido de Scribd: https://es.scribd.com/doc/72178099/Caracteristicas-mecanicas-y-tecnologicas-del-acero
Vallejo, V. (s.f.). Academia.edu. Obtenido de Academia.edu: https://www.academia.edu/14190659/Acritud_en_metales
