Universidad Tecnológica de México División de Ingeniería M at a t er e r i a: a : E l ec ec t r i c i d a d y m a g n e t i s m o
Práctica 3
“Campo Magnético”
Electricidad y Magnetismo
UNITEC Campus Sur
Agosto 2010
Fecha de elaboración: ____________
Práctica No. 3
Fecha Revisión: _________________
El campo magnético
Responsable: ___________________
Objetivo Realiza ejemplificaciones acerca de las características de los magnetos. Identifica el experimento de Oersted. Calcula la densidad del flujo magnético. Calcula la fuerza magnética. Calcula el componente horizontal del campo magnético. Ofrece una conclusión de los experimentos desarrollados con relación al campo magnético. Elabora un reporte del desarrollo de los experimentos y los resultados obtenidos.
Normas de Seguridad. Es necesario evitar portar objetos metálicos, tales como relojes o pulseras. Trabajar atrás de la línea de seguridad
Equipo de Seguridad. Bata Zapato cerrado
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Investigación Previa Consulta en la bibliografía recomendada en esta práctica o en Internet, los siguientes conceptos y anéxalos en tu práctica. 1. Explica: qué es un campo magnético 2. Explica cuál es la ley de Ampere y menciona algunas de sus aplicaciones. 3. Explica en qué consiste la regla de la mano derecha
Marco Teórico Si un imán de barra se suspende de su punto medio y se balancea libremente en un plano horizontal, girará hasta que su polo norte apunte al Polo Norte geográfico de la Tierra y su polo sur apunte hacia el Polo Sur geográfico terrestre. Este fenómeno describe el funcionamiento de una brújula simple. Muchos historiadores de la ciencia creen que la brújula se utilizó por primera vez en China en el siglo XIII a.C. y que su invención es de origen árabe o hindú. Los antiguos griegos tenían conocimiento del magnetismo desde el año 800 a.C. y descubrieron que la magnetita (Fe3O4) atrae pedazos de hierro. En 1269, el francés Pierre de Maricourt trazó las direcciones que seguía una aguja colocada en diversos puntos sobre la superficie de un imán natural esférico. Encontró que las direcciones formaban líneas que encerraban en un círculo a la esfera y que pasaban por dos puntos diametralmente opuestos uno del
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Equipo 4 brújulas 1 multímetro 1 Cubo magnético 1 bobina de Faraday 1 balanza con precisión de 0.1 gramos
Material
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1 Porción de diferentes meteriales pequeños (clavos, madera, tornillos, etc.). 1 Barra de acero dulce. 1 Placa de vidrio o acrilico mínimo de 10 cm x 10 cm, cualquier espesor. 1 Porción de limadura de hierro 2 Imanes en forma de anillo con diámetro interior para media pulgada 7 Cilindros huecos de aluminio, cuyo diámetro interno sea de una o dos pulgadas. La longitud de éstos de al menos 4 centímetros. No es necesario que todos sean iguales. 1 Base y barra vertical de aluminio o madera para los imanes 1 Regla de madera 30 centímetros o vernier de plástico
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otro, a los cuales llamó polos del imán. Experimentos subsecuentes mostraron que todo imán, sin importar su forma, tiene dos polos, llamados norte y sur, los cuales ejercen fuerzas sobre otros polos magnéticos de manera similar a las que ejercen entre sí las cargas eléctricas. Es decir, polos iguales se repelen entre sí y polos diferentes se atraen uno al otro. En 1600, William Gilbert (1540-1603) amplió los experimentos de Maricourt utilizando una diversidad de materiales. A partir de que la aguja de una brújula se orienta en direcciones preferidas, sugirió que la propia Tierra es un gran imán permanente. En 1750 los investigadores emplearon una balanza de torsión para demostrar que los polos magnéticos ejercen fuerzas atractivas o repulsivas entre sí y que éstas varían con el cuadrado inverso de la distancia entre los polos que interactúan.
1
La relación entre magnetismo y electricidad fue descubierta en 1819 cuando, durante una conferencia demostrativa, el científico danés Hans Christian Oersted encontró que una corriente eléctrica en un alambre desviaba la aguja de una brújula cercana. El experimento consistió en colocar varias brújulas en un plano horizontal cerca de un largo alambre vertical. Cuando no circula corriente eléctrica a través del alambre, todas las agujas de las brújulas apuntan en la misma dirección, la del campo magnético de la Tierra, como se esperaría. Cuando se hace circular una intensa corriente estable, todas las agujas se desvían en dirección tangente al alambre. Estas observaciones llevaron al establecimiento de la regla de la mano derecha para determinar la dirección del campo magnético Las líneas de campo magnético hacen círculos concéntricos con el alambre y están en un plano perpendicular al alambre. Una regla conveniente para determinar la dirección del campo magnético es la regla de la mano derecha: si se toma el alambre con la mano derecha con pulgar apuntando en el sentido de la corriente, los otros cuatro dedos dan vuelta en dirección del campo magnético. Poco después Jean Baptiste Biot y Felix Savart informaron que un conductor que conduce
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corriente estable ejercía una fuerza sobre un imán. A partir de sus resultados experimentales, Biot y Savart llegaron a una expresión que brinda el campo magnético en algún punto en el espacio en términos de la corriente que produce el campo. André Ampere (1775-1836) formuló leyes cuantitativas para calcular la fuerza magnética ejercida sobre un conductor por otro conductor eléctrico que porta corriente. También sugirió que, a nivel atómico las espiras de corriente eléctrica son responsables de todos los fenómenos magnéticos. En la década de 1820 Michael Faraday (1791-1867) demostró conexiones adicionales entre la electricidad y el magnetismo, y lo mismo hizo Joseph Henry (1797-1878) por su lado. Los dos demostraron que una corriente eléctrica puede inducirse en un circuito, mediante un campo magnético variable, ya sea moviendo un imán cerca del circuito o cambiando la corriente en otro circuito cercano. Los resultados de estos experimentos llevaron a la Ley de Inducción de Faraday. Esta ley señala que la magnitud de la fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a la tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético a través del circuito. Años después un trabajo teórico de Maxwell mostró que lo inverso también es cierto: Un campo eléctrico variable origina un campo magnético. Los generadores, motores y transformadores son dispositivos importantes que funcionan a partir del principio de la inducción electromagnética
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Desarrollo Actividad 1 Líneas de campo magnético I.
II.
Agite el cubo magnético e introduzca un imán, observe que pasa, haga un diagrama de lo que observe y anéxalo al reporte de la práctica. Repita el experimento, pero ahora introduzca dos imanes (no permitas que se unan los imanes), observe que pasa, haga un diagrama de lo que observa y anéxelo al reporte de la práctica
Actividad 2 Inducción magnética Coloca limadura de hierro sobre la placa de vidrio.
I.
Coloque limadura de hierro sobre la placa de vidrio y acerque la barra de hierro dulce a la limadura 1. ¿La barra de hierro dulce atrae a la limadura como un imán?_____ II. Ahora coloque en un extremo de la barra de hierro un imán y aproxime el otro extremo de la barra nuevamente hacia la limadura de hierro 2. ¿La barra de hierro dulce atrae a la limadura?___________ III. Retire el imán del extremo de la barra de hierro. 3. ¿Cuando se retira el imán de la barra de hierro dulce qué pasa? ___________________________________________________
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Actividad 3 Comprobación cualitativa de la ley de ampere I. Coloque la bobina de espiras de alambre delgado sobre la mesa y conéctela a la fuente de C.D. pero sin que la fuente se ecuentre prendida.
II.
Coloque las 4 brújulas alrededor de la bobina, ahora bien, encienda la fuente 1. ¿Qué pasa con la orientación de las brújulas?, ¿cómo se orientan? ________________________________________________________ _____________________________________________________
III.
Apague la fuente, invierte la polaridad en los bornes de conexión de la bobina, esto con la finalidad de invertir la dirección de la corriente en ella. Ahora prenda la fuente y aplique el mismo voltaje de 10 volts. 2. ¿Qué pasa ahora con la orientación de las brújulas?, ¿cómo se orientan? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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Actividad 4 Medir la fuerza magnética entre dos imanes como función de su separación I.
En la barra vertical de madera coloque el primer imán en forma de anillo, de tal modo que descanse en la base de aluminio. Puede ser cualquiera de los dos, ver figura 1.
II.
Con la balanza mida la masa del segundo imán en forma de anillo y anote su masa en la tabla 1. Enseguida, coloca este segundo imán en la barra vertical de aluminio, procurando que queden frente a frente polos iguales. Es decir, que entre el primero y segundo imán exista repulsión. No deje caer los magnetos porque pueden quebrarse, ver figura 2.
III.
IV.
Cuando ambos queden estables en la barra, vertical de aluminio, mide la separación entre los polos que están frente a frente y anote su resultado en la tabla 1. La medición de la separación se debe llevar a
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V.
VI.
VII. VIII.
cabo entre las dos superficies de los imanes y no entre sus protecciones, si es que éstos poseen. Enseguida, mida la masa de uno de los cilindros huecos de aluminio. Ahora agrégalo suavemente a la barra vertical de aluminio, de tal modo que descanse sobre el segundo imán. Guíese por la figura 3 para llevarlo a cabo.
Una vez que el sistema se ha estabilizado, mide la separación entre los polos de los imanes que están frente a frente. Y anota la distancia de separación en la tabla 1. Repita los pasos XII y XIII para un segundo cilindro hueco, sin quitar el primero. Siga agregando cilindros huecos de aluminio, uno por uno, y repita los pasos XII y XIII. Deje de agregar cilindros hasta que la separación de los imanes sea de 0.5 centímetros aproximadamente. Medición
Masa (m)
Fuerza magnética (F m)
Separación (d)
1 2 3 4 5 6 7
Ahora bien, con los datos de la tabla1, traza una gráfica de la fuerza magnética en función de la separación de los imanes
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F
K
d Actividad 5 Determinar la magnitud de la componente horizontal del campo magnético I.
Con el multímetro mida la resistencia de la bobina circular de 30 vueltas, para verificar si existe continuidad. Para medirla conecte una terminal del óhmetro en el primer contacto y la otra terminal en el contacto que indica el número de espiras.
II.
Si en algún caso el medidor no pudiera medir la resistencia por ser muy elevado su valor, significará que el alambre del que está hecho ese conjunto de espiras, posiblemente esté roto y por lo tanto, deberá ser revisado para determinar si efectivamente ese es el problema Si todo está en buen estado, realice las conexiones que se indican en el esquema siguiente, conectándose la fuente y el amperímetro a la
III.
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bobina circular. Procure que la fuente y el amperímetro se encuentren apagados.
IV.
Nivele y centre la brújula en la punta de la plomada.
V.
Gire la bobina de tal manera que el campo magnético que ésta produzca (cuando pase una corriente a través de ella) sea perpendicular al campo magnético de la tierra. Una forma sencilla de hacer esta operación es girar la bobina hasta asegurarse de que la dirección de la aguja de la brújula (que es orientada por el campo magnético terrestre) coincida con el plano de la bobina. Esta operación debe hacerse con sumo cuidado, para minimizar el error al medir el campo magnético terrestre. Enseguida gira la carátula de la brújula hasta que la aguja marque cero grados. Esta operación no es estrictamente necesaria; se hace con la finalidad de facilitar la medición del ángulo que rota la aguja. Si encuentra otra forma más sencilla de hacerlo, llévela a cabo.
VI.
VII.
VIII.
Procure que no haya objetos ferromagnéticos cerca de la disposición experimental porque pueden alterar las mediciones que se realicen y por consecuencia los resultados. Una vez que haya llevado a cabo las operaciones indicadas, coloque el amperímetro en la escala de 0-500 miliamperes o una similar, encienda la fuente y desde cero amperes, aumente poco a poco la corriente mediante la perilla reguladora de la misma, observando su valor en el medidor. De forma simultánea al incremento en la corriente, observe la deflexión que experimenta la aguja de la brújula y cuando ésta haya girado 45º, detenga el incremento de la corriente.
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IX.
Anote el valor de la corriente en la tabla 2 para la cual la aguja giró un ángulo de 45º. Observe que la aguja se orienta en la dirección del campo magnético resultante de los dos campos: el que produce la bobina y el de la tierra.
X.
Ponga en cero la fuente y apáguela junto con el medidor de corriente.
XI.
Finalmente mida con cuidado el radio de la bobina
De los datos que obtuvo se puede calcular la componente horizontal del campo magnético terrestre de dos formas. Una mediante promedios y la otra, a través de ajuste de datos. Primera forma: Promedios XII.
Calcule el campo magnético que produce la bobina ( Bb) a partir de las siguientes cantidades: - La corriente medida, para la cual la aguja de la brújula giró 45º. - El radio de la bobina. - El número de espiras.
Usando la expresión del campo magnético de una bobina de N espiras,
2
anote sus resultados en la tabla 2. XIII.
Realice 5 mediciones de corriente. Dado que se tienen 5 valores diferentes de corriente correspondientes, se obtendrán cinco valores para el campo magnético de la bobina. Con los 5 valores de campo magnético de la bobina, calcule: - El valor promedio. - La desviación promedio. - El error porcentual.
Y anótelos debajo de la tabla.
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Medición 1 2 3 4 5
Tabla de datos y resultados I (mA) Bb (T)
Bb (T)
Tabla 2
= ̅ =
Segunda forma: Ajuste de datos XIV. Grafique la corriente medida que circula en la bobina, en función del inverso del número de espiras (1/N)
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mA
0
XV.
1/N
Ajuste los datos (corriente e inverso del número de espiras) a una recta, y anote la forma de la ecuación y su pendiente abajo.
Ecuación:
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Pendiente:
¿Qué significado tiene la pendiente de la recta? Sugerencia: Compare la expresión teórica para el campo magnético que produce una bobina circular de N vueltas y la ecuación de la recta obtenida
Análisis y Presentación de Resultados Responda a las siguientes preguntas mediante el análisis de tus resultados Actividad 1 1. En el caso de la electricidad se pueden tener cargas eléctricas aisladas. En el caso del magnetismo, ¿es posible tener polos aislados? ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________
Actividad 4 2. ¿Si la separación entre los imanes disminuye a la mitad, la fuerza aumenta el doble? ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ 3. ¿Qué tipo de gráfica encontró para la fuerza magnética entre los imanes? 4. ¿Cuáles fuerzas son las que provocan que las masas que flotan puedan mantenerse en equilibrio? Haga un diagrama de las fuerzas que están actuando. Electricidad y Magnetismo
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_____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ Dado que se trabajó con las condiciones de que los campos (bobina y tierra) fueran perpendiculares entre sí y de que la resultante de ambos campos formara 45 grados.
Bt 5. Entonces, bajo dichas condiciones ¿Qué se puede afirmar sobre el valor relativo de ambos campos magnéticos? _________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________
El campo magnético terrestre total, en esta localidad, forma un ángulo con la dirección horizontal y él que se obtuvo en el experimento es en realidad la magnitud de la componente horizontal de dicho campo. La figura indica lo que se explica en este punto
6. Investigue el ángulo que forma el campo magnético terrestre total en la localidad. Con dicho ángulo y la magnitud de la componente horizontal calculada en la práctica, obtenga la magnitud del campo magnético terrestre total. Auxíliese del dibujo anterior para realizar dicho cálculo y anote su respuesta en el siguiente renglón. 7. ¿Cuál es la explicación más aceptada en la actualidad sobre el origen del campo magnético terrestre? Electricidad y Magnetismo
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_____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 8. ¿Qué efecto tiene el campo magnético terrestre sobre las partículas cargadas procedentes del espacio? Mencione algún fenómeno que se produce a causa de este efecto. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________
Conclusiones del Aprendizaje
Notas para los Alumnos
Recursos Bibliográficos Serway, Raymond A. y Jewett, John W., Electricidad y magnetismo, Thomson, 2005. Sears, Francis. W., Física universitaria, Pearson, 2004. Haliday, Davis y Resnick Robert, Fundamentos de Física, CECSA, 2001
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