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juliancastillobarajas
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Induccion
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OBJETIVOS
Generar fuerza electromotriz utilizando campos magnéticos Comprobar la existencia de la f.e.m. inducida en un circuito eléctrico en el que existe
un flujo magnético variable. Comprobar que el sentido de la f.e.m. inducida depende de la forma como varíe el
flujo magnético.
RESUMEN
La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o por movimientos relativos a un campo constante. Distintos factores influyen en la fem que se induce en una bobina, como lo son su número de espiras, su configuración (si tienen un material ferromagnético en su interior) y de su movimiento con respecto al campo magnético. Lo que esta fem inducida trata es oponerse al cambio del flujo magnético.
INTRODUCCIÓNInducción Electromagnética
La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quién lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).
Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.
El movimiento de un conductor de longitud L situado en un campo magnético B, hace que sobre cada electrón del conductor actúe una fuerza magnética. Dicha fuerza hace que los electrones se desplacen hacia un extremo (dependiendo de la dirección del campo) en donde se acumulan. Como resultado de este movimiento, se obtiene una distribución de cargas que genera un campo eléctrico dirigido a lo largo del conductor.
El movimiento de los electrones continúa hasta que la fuerza magnética se equilibra con la fuerza eléctrica cuando el conductor se desliza sobre otro conductor estacionario, cuya forma es tal que constituyen una trayectoria cerrada. Es así como dentro de los conductores se establece una corriente eléctrica i, llamada corriente eléctrica inducida, cuya dirección en sentido convencional es anti horario.
Como consecuencia de esta corriente, el exceso de cargas en el extremo del conductor se reduce, y el campo eléctrico se debilita y las fuerzas magnéticas producen un nuevo desplazamiento de electrones libres dentro del conductor móvil, desplazamiento de electrones que origina la circulación de la corriente eléctrica i ya mencionada. Esta corriente circula mientras se mantiene en movimiento al conductor.
Ley de Faraday
La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:
Donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las
direcciones del contorno C y de están dadas por la regla de la mano derecha.
La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.
James Clerk Maxwell entre 1864 y 1873 realizó la formulación matemática de todas las leyes experimentales del electromagnetismo, sintetizándolas en cuatro ecuaciones, que en el espacio libre, o sea en ausencia de material dieléctrico y magnético, se escriben:
∮ E⃗ . d⃗A=qε0
(Ley deGauss paraelectricidad )
¿¿
∮B . d⃗A=0 (Leyde Gauss para magnetismo )¿
¿
∮ E⃗ . d⃗A=dΦmdt
(Leyde Faraday )
¿¿
∮ B⃗ . d⃗l=μ0 l+μ0 ε0dΦEdt
(Leyde Ampere−Maxwell )
¿¿
DIAMAGNETISMO
En electromagnetismo, el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que
consiste en repeler los campos magnéticos. Es lo opuesto a los
materiales ferromagnéticos los cuales son atraídos por los campos magnéticos. El
fenómeno del diamagnetismo fue descubierto por Sebald Justinus Brugmans que observó
en 1778 que el bismuto y el antimonio fueron repelidos por los campos magnéticos. El
término diamagnetismo fue acuñado por Michael Faraday en septiembre de 1845, cuando
se dio cuenta de que todos los materiales responden (ya sea en forma diamagnética
o paramagnética) a un campo magnético aplicado.
MATERIALES DIAMAGNETICOS
Las sustancias son, en su gran mayoría, diamagnéticas, puesto que todos los pares de
electrones con espín opuesto contribuyen débilmente al diamagnetismo, y sólo en los
casos en los que hay electrones desparejados existe una contribución paramagnética (o
más compleja) en sentido contrario.
Algunos ejemplos de materiales diamagnéticos son: el bismuto metálico, el hidrógeno,
el helio y los demás gases nobles, el cloruro de sodio, el cobre, el oro, el silicio,
el germanio, el grafito, el bronce y el azufre. Nótese que no todos los citados tienen
número par de electrones.
El grafito pirolítico, que tiene un diamagnetismo no es especialmente alto, se ha usado
como demostración visual, ya que una capa fina de este material levita (por repulsión)
sobre un campo magnético lo suficientemente intenso (a temperatura ambiente).
Experimentalmente, se verifica que los materiales diamagnéticos tienen:
Una permeabilidad magnética inferior a la unidad.
Una inducción magnética negativa.
Una susceptibilidad magnética negativa, prácticamente independiente de
la temperatura, y generalmente del orden (en unidades cegesimales ) de
e.m.u./mol, donde M es la masa molecular.
En muchos compuestos de coordinación se obtiene una estimación más exacta utilizando
las tablas de Pascal.
En los materiales diamagnéticos, el flujo magnético disminuye y en los paramagnéticos el
flujo magnético aumenta.
PARAMAGNETISMO
El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales)
a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están
fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo o ferrimagnetismo.
Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están
orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse
paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la tendencia que
tienen los momentos a orientarse aleatoriamente debido al movimiento térmico.
Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a
fortalecerlo. Esto se describe por unapermeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo
que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva y muy pequeña.
En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento
magnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales ferromagnéticos, este
comportamiento también puede observarse, pero sólo por encima de su temperatura de
Curie.
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.
Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que
los imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar
el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no está
favorecido energéticamente. Es decir, los materiales paramagnéticos son materiales
atraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados.
Algunos materiales paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio.
FERROMAGNETISMO
El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento
magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y
sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo.
La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos
magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por
todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.
Los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos, separados por superficies
conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos los momentos
magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial,
pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía.
Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios
tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están
orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético inductor aumentan su
tamaño. Este aumento de tamaño se explica por las características de las paredes de
Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuya dirección de los dipolos no coincide;
dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto
tiempo.
CORRIENTES DE FOUCAULT
La corriente de Foucault (corriente parásita también conocida como "corrientes
torbellino", o eddy currents en inglés) es un fenómeno eléctrico descubierto por el físico
francés Léon Foucault en 1851. Se produce cuando un conductor atraviesa un campo
magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación
de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de
Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo
magnético aplicado (ver Ley de Lenz). Cuanto más fuerte sea el campo
magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa
de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opositores
generados.
En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las
variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones
inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas
corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.
Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Más
concretamente, dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética,
en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil, cuando no perjudicial. A
su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos
variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas
pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja
conductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de acero
eléctrico, apiladas pero separadas entre sí mediante un barniz aislante u oxidadas tal que
queden mutuamente aisladas eléctricamente. Los electrones no pueden atravesar la capa
aislante entre los laminados y, por lo tanto, no pueden circular en arcos abiertos. Se
acumulan cargas en los extremos del laminado, en un proceso análogo al efecto Hall,
produciendo campos eléctricos que se oponen a una mayor acumulación de cargas y a su
vez eliminando las corrientes de Foucault. Cuanto más corta sea la distancia entre
laminados adyacentes (por ejemplo, cuanto mayor sea el número de laminados por unidad
de área, perpendicular al campo aplicado), mayor será la eliminación de las corrientes de
Foucault y, por lo tanto, menor el calentamiento del núcleo.
Imágenes
Image1: tensión inducida espiras Image2: tensión inducida alterna
CONCLUSIONES
Por medio de campos magnéticos obtenidos de bobinas energizadas con corriente AC se pudo generar e inducir una fuerza electromotriz sobre espiras con núcleo de hierro o sin núcleo.
En la práctica concluimos que la f.e.m. depende de la variación del campo externo con respecto al tiempo y del tipo de núcleo que se coloque en la bobina.
En el experimento de tensión inducida en función del circuito magnético concluimos que cuando la corriente variaba esta hacia que varíe el campo magnético aumentando la fem.
En el experimento de tensión inducida en función del campo del electroimán concluimos que podemos elevar o reducir la f.e.m. inducida dependiendo del número de espiras en la bobina inductora y en la bobina inducida.
Según la dirección del campo magnético, el sentido de la fem inducida varía
Cuando hay un campo magnético variable al que una bobina está expuesta, lo que se induce es una tensión alterna.
Si se desliza una bobina cerca de otra en la cual circula corriente, una fem es inducida debido al movimiento relativo entre la bobina y el campo magnético generado por la bobina conectada a la fuente.
RECOMENDACIONES
Se requiere tener bien hechas las conexiones antes de encender los equipos.
Tener cuidado con el trato de los equipos y materiales.
BIBLIOGRAFIA
Guía de Laboratorio de Física C. ICF - ESPOL. Revisión IV SERWAY, Raymond. Física, Edic. 5, Pearson Educación, México, 2001. SERWAY, Raymond A, Física, vol II. Edit. McGraw-Hill, tercera edición revisada,
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induccion-electromagnetica.html?x=20070924klpcnafyq_342.Kes