PRÁCTICA 11 MANIFESTACION CUALITATIVA DE LA LEY DE INDUCCION DE FARADAY MATERIA: LABORATORIO ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
CATEDRÁTICO: DR. PEDRO ANTONIO MARQUEZ AGUILAR
ALUMNOS: BERNAL FRANCO ABRAHAM CONDADO PEREZ RAFAEL AMADOR
La inducción electromagnética es el proceso por el cual se puede inducir una corriente por medio de un cambio en el campo magnético. Fue hasta 1831 cuando en trabajos independientes, del científico inglés Michael Faraday y el ruso Heinrich Lenz encontraron lo que por once años buscaron, se podían producir corrientes eléctricas en el interior de un conductor, si con éste se cortaban las líneas de inducción de un campo magnético, o haciendo variar el flujo de un campo en el que se encontrara un conductor.
Fig. 1 Representación de la generación de corriente eléctrica a partir de un campo magnético.
En la actualidad algunas de las aplicaciones más conocidas y más utilizadas bajo el funcionamiento de este principio son: a) Generadores
Fig. 2 Generador con funcionamiento en la ley de inducción de Faraday.
b) Motor Eléctrico
Fig. 3 Arreglo del principio de inducción de Faraday, para la aplicación de un motor.
c) Transformadores
Fig. 4 Transformadores, utilizados industrialmente.
Y más reciente mente en aplicaciones como lo son los frenos magnéticos y las cocinas de inducción.
Fig. 5 Aplicaciones más recientes del principio de inducción de Faraday.
Mediante un sistema poder observar el comportamiento de la interacción de dos campos magnéticos para la generación de corriente eléctrica a partir del proceso conocido como inducción. La inducción electromagnética es una manifestación del proceso por el cual se puede inducir una corriente en un cable, por medio de un cambio en el campo magnético. A este fenómeno se le conoce como la ley de Faraday, descubierta por el físico Michael Faraday. El modelo matemático de este fenómeno relaciona la razón de cambio de flujo magnético que pasa a través de una espira (o lazo) a la magnitud de la fuerza electromotriz inducida en la espira.
=
Fórmula 1
Recuerde que el flujo magnético a través de un cable viene dado por la definición general:
Φ = ∫ ∙
Fórmula 2
Si el circuito consta de N vueltas, todas de la misma área, siendo el flujo magnético a través de una vuelta, se induce una FEM en cada vuelta, y la ley de Faraday queda.
=−
Fórmula 3
Por su parte la ley de Lenz es una consecuencia del principio de conservación de la energía aplicado a la inducción electromagnética. Fue formulada por Heinrich Lenz en 1833. Mientras que la ley de Faraday nos dice la magnitud de la FEM producida, la ley
de Lenz nos dice en qué dirección fluye la corriente y establece que la dirección siempre es tal que se opone al cambio de flujo que la produce. Esto significa que cada campo magnético generado por una corriente inducida va en la dirección opuesta al cambio en el campo original.
Fig. 6 FEM inducida en un cable sumergido en un campo magnético
Como lo indica la ley de inducción, una FEM producida sobre un lazo o espira aparece cuando ingresan en el interior de una superficie imaginaria líneas de campo magnético, las cuales varían en función del tiempo (flujo magnético). La formación de dicho campo y su variación son posibles mediante el circuito oscilador formado por los transistores NPN de la figura 2. Cuya salida se conecta a un transistor de potencia y un circuito tipo LC en donde se produce el campo magnético variable. Los ajustes de la frecuencia se realizan mediante los trimpot conectados a la base de cada uno de los transistores NPN de uso general. En lo que respecta al circuito que conforma el lazo o espira en el cual se manifiestan los efectos de la inducción, este debe estar construido por un circuito paralelo de tipo LC, de inductancia y capacitancia muy cercanas a los del circuito resonante, esto con la finalidad de que el fenómeno se potencialice lo más posible. Los periodos de oscilación están dado por las ecuaciones siguientes.
Fig. 7 Circuito para el inductor de la ley de Faraday.
Protoboar. 4 Resistencias 1 KΩ.. 2 Trimpot 100 KΩ. 2 Capacitores de 150 μF. 2 Transistores NPN BC500. 1 Mosfet IRF540. 1 Capacitor (practica 6). 1 Bocina (practica 10). Cables para conexión. Solenoide de 11 cm de diámetro. Solenoide de 4 cm de diámetro.
1) Armar en la tablilla protoboar el circuito del oscilador propuesto y polarizar para realizar toma de mediciones de los parámetros solicitados en la . 2) Obtener el área de las superficies imaginarias formadas por cada uno de los solenoides de acuerdo a la . 3) Acercar el solenoide de 11 cm a la bobina del circuito resonador previamente energizado y describir lo que sucede. 4) Variar la posición con la que ingresan las líneas de campo magnético en la superficie imaginaria formada por el solenoide. Describir lo que sucede con el Led para diferentes. 5) Desplace poco a poco el solenoide fuera de la región donde se encuentra el campo magnético, analice lo que sucede. 6) Encontrar de forma teórica las magnitudes de las Fem inducidas para cada solenoide que se solicita en la
Primeramente se pudo percatar que durante el desarrollo de la práctica se tuvo una serie de problemas los cuales impidieron que se pudiese realizar el ensamblaje por completo del circuito entre ellos uno principal fue que cuando se conectaba la bobina y el capacitor que previamente se habían elaborado el MOSFET tendía a subir su temperatura por lo cual no era posible realizar la operación necesaria para visualizar el efecto. Por lo cual se procedió a seccionar el montaje del circuito en tres partes:
El circuito oscilador. La sección de amplificación. Y la parte de resonante.
Cabe mencionar que al no ser posible la operación se hizo uso del circuito facilitado por el profesor debido a estas problemáticas.
Fig. 8 Montaje del arreglo del circuito propuesto, prueba continuidad dentro del arreglo.
Derivado de estos problemas se procedió con el montaje de otro arreglo el cual se presenta a continuación con la finalidad de así poder visualizar el efecto de la inducción de Faraday.
1.5
V1 1u
1u
L1
L2
D1n5407 D1
Q1 Q2N2222
Diagrama 1 Nuevo diagrama de arreglo para la demostración del efecto.
Con respecto a los resultados de las mediciones solicitadas en el procedimiento de esta práctica se obtuvieron las siguientes tablas:
Del inciso 1) COMPONENTE
Inducatancia
Inductancia
Teórica (H)
Practica (H)
20 μH
(19 -21) μH
Inductor
Tabla 1 Medición del solenoide utilizado.
Del inciso 2) Componente
Capacitancia
Capacitancia
Teórica (F)
Practica (F)
60 μF
60 μF
Capacitor
Tabla 2 Mediciones solicitadas de capacitancia.
Del inciso 3) En cuanto se comienza a acercar el solenoide al circuito oscilante este comienza a encender el Led, poco a poco, mientras más centrado se encuentre el solenoide receptor con el que se encuentra en el circuito resonante la intensidad del Led se hace mayor. Del inciso 4) En cuanto variamos la posición con la cual el solenoide receptor se encuentra con respecto al del circuito oscilador la variación de la intensidad con la que enciende el circuito también varía debido a que la interacción de los campos magnéticos no se realiza de manera uniforme. Del inciso 5) La intensidad del Led disminuye, cabe mencionar que si la posición del solenoide receptor es perpendicular a la del emisor la interacción es nula. Del inciso 6) Solenoide
Fem (V)
11 cm
6.7
4 cm
5.44
Tabla 3 Calculo de l a fem inducida en cada solenoide de acuerdo a su tamaño.
1. ¿Cómo se llama al proceso en el que aparece una corriente eléctrica en una bobina, la cual está un flujo de campo magnético y como se denomina a dicha corriente?
R: Se denomina inducción, y a la corriente que se genera a partir de esta se le denomina fuerza electromotriz, o FEM, se refiere a la diferencia de potencial a través de la espira descargada (es decir, cuando la resistencia en el circuito es alta). En la práctica es a menudo suficiente pensar la FEM como un voltaje, pues tanto el voltaje y como la FEM se miden con la misma unidad, el volt. 2. ¿Qué parámetros están relacionados e involucrados en las magnitudes de la Fem que se induce en la bobina? R: Los parámetros involucrados son el flujo de campo magnético, el área de interacción del campo magnético y el tiempo debido a que se miden las variaciones del flujo del campo magnético en dicha con respecto al tiempo. 3. ¿Qué es la ley de Lenz? R: La ley de Lenz nos dice en qué dirección fluye la corriente, y establece que la dirección siempre es tal que se opone al cambio de flujo que la produce. Esto significa que cada campo magnético generado por una corriente inducida va en la dirección opuesta al cambio en el campo original.
El fenómeno de la ley de inducción de Faraday ha tenido grandes contribuciones dentro de la industria así como de diferentes áreas dentro de la vida cotidiana. La correcta manipulación del flujo de los campos magnéticos ya sea individual como en conjunto así como la interacción entre ellos han dado pie a la elaboración de diferentes dispositivos que nos han facilitado el día a día. Conocer las características y comportamientos de estos tipos de sistema puede dar paso a poder tener el control del mismo dentro de un arreglos de procesos que permitan a su vez el determinar diferentes estados de funcionamiento dentro del conjunto de procesos.
[1] MOTOR ELECTRO-MECÁNICO
Fig. 9 Componente de un motor electro-mecánico.
Los motores eléctricos son dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía mecánica utilizando los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor. Algunos de los motores eléctricos pueden convertir energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamo. La ley de Lorenz es el principio que describe cómo se origina una fuerza por la interacción de una carga eléctrica puntual q en campos eléctricos y magnéticos.
F = q(E + v × B) Fórmula 1 Donde q es la carga de la partícula. E es el campo eléctrico, v es la velocidad de la partícula y B densidad de campo magnético, v es la velocidad de carga. Esta fuerza es perpendicular al campo magnético y a la dirección de la velocidad de carga Fundamentos de operación de los motores eléctricos En magnetismo se conoce la existencia de dos polos que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán, un motor eléctrico usa estas fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. Todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen y los contrarios se atraen produciendo así el movimiento de rotación. Un motor eléctrico opera en base a dos principios, el de inducción (Faraday) que señala que si un conductor se nueve atravesó de un campo magnético por el que circula una corriente eléctrica de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio de ampere que establece que si una corriente pasa atravesó de un conductor situado en el interior de un campo magnético, este ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor.
Las partes centrales del motor eléctrico son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y cojinetes. Sin embargo nos centraremos en: es un elemento que opera como base, permitiendo que se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente pero si magnéticamente.
Fig. 10 Estator de un motor electro-mecánico.
El rotor es el elemento de transferencia de mecánica, el convierte la energía eléctrica en mecánica. Los rotores son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete.
Fig. 11 Rotor del motor electro-mexánico.
Estos son los elementos centrales, los demás son medios para que estos funcionen y transformen la energía eléctrica en mecánica. Las aplicaciones de los motores eléctricos son variadas y necesarias para la cotidianeidad.
o o
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Física vol. 2 Resnick https://es.khanacademy.org/science/physics/magnetic-forces-and-magneticfields/magnetic-flux-faradays-law/a/what-is-faradays-law http://www.academico.cecyt7.ipn.mx/FisicaIV/unidad1/faraday.htm http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/farlaw.html http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ley_de_Faraday_(GIE)#Aplicaciones
