ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORALInstituto de Ciencias Físicas

Laboratorio de Física C

Informe: Producción de Campos Magnéticos

OBJETIVOS

Obtener campos magnéticos utilizando corriente continua y corriente alterna

RESUMEN

En esta práctica realizaremos diferentes experimentos en los cuál observaremos algunas propiedades del campo magnético ya sea producido por corriente alterna o continua. Realizaremos mediciones con los cuales encontraremos valores de la corriente y resistencia ya sea para un circuito de corriente continua o de corriente alterna, los compararemos y observaremos sus relaciones.

La práctica en sí consiste en observar las interacciones, el comportamiento de campos magnéticos producidos por la corriente.

Para esto necesitaremos tener hechos diferentes circuitos con espiras o bobinas, también necesitaremos algunos imanes los cuales se sabe que tienen campos magnéticos, y nos ayudaremos de una brújula que me indica la dirección en la que se dirige el campo magnético.

Los experimentos son muy sencillos, solo se debe tener las debidas precauciones con las conexiones de los circuitos y la utilización de los equipos.

ABSTRACT

This practice will make different experiments in which we observe some properties of the magnetic field produced by either AC or DC. Measurements with which we will find the values of current and resistance for either a DC circuit or AC, compare them and observe their relationships.

The actual practice of observing the interactions, the behavior of magnetic fields produced by the current.

For this we will need to have made different circuits with loops or coils, also need some magnets which are known to have magnetic fields, and help us a compass that tells me the direction in which the magnetic field is directed.

The experiments are very simple, only it should be the proper precautions with circuit connections and the use of equipment.

INTRODUCCIÓNEl campo magnético es un campo vectorial con forma circular, cuyas líneas encierran la corriente. La dirección del campo en un punto es tangencial al círculo que encierra la corriente.

El campo magnético disminuye inversamente con la distancia al conductor.

FLUJO DEL CAMPO MAGNÉTICO

El flujo del campo magnético Φm a través de una superficie se define:

Donde dS es un vector perpendicular a la superficie en cada punto.

Como las líneas del campo magnético son cerradas (no existen monopolos), el flujo a través de cualquier superficie cerrada es nulo: Por lo tanto, al contrario de lo que ocurría con la ley de Gauss, el flujo del campo magnético no puede emplearse para calcular campos magnéticos. La ley que nos permite calcular campos magnéticos a partir de las corrientes eléctricas es la Ley de Ampère. Fue descubierta por André - Marie Ampère en 1826 y se enuncia:

La integral del primer miembro es la circulación o integral de línea del campo magnético a lo largo de una trayectoria cerrada, y:

μ0 es la permeabilidad del vacío

dl es un vector tangente a la trayectoria elegida en cada punto

IT es la corriente neta que atraviesa la superficie delimitada por la trayectoria, y será positiva o negativa según el sentido con el que atraviese a la superficie.

CAMPO MAGNÉTICO CREADO POR UN HILO INFINITO

Como aplicación de la ley de Ampère, a continuación se calcula el campo creado por un hilo infinito por el que circula una corriente I a una distancia r del mismo. Las líneas del campo magnético tendrán el sentido dado por la regla de la mano derecha para la expresión general del campo creado por una corriente, por lo que sus líneas de campo serán circunferencias centradas en el hilo, como se muestra en la parte izquierda de la siguiente figura.

Para aplicar la ley de Ampère se utiliza por tanto una circunferencia centrada en el hilo de radio r. Los vectores y dl son paralelos en todos los puntos de la misma, y el módulo del campo es el mismo en todos los puntos de la trayectoria. La integral de línea queda:

Empleando la ley de Ampère puede calcularse el campo creado por distintos tipos de corriente. Dos ejemplos clásicos son el del toroide circular y el del solenoide ideal (*), cuyos campos se muestran en la siguiente tabla.

Un solenoide ideal es una bobina de longitud grande cuyas espiras están muy juntas. En la expresión del campo magnético que crea, n es el número de espiras por unidad de longitud.

EQUIPOS Y MATERIALES

Brújula de bolsillo.

Puente de bajo voltaje, 0-0v-25v.

Cables de conexión. Interruptores. Reóstato de 33 ohmios.

Bobina de 500 espiras. Bobina de 1000 espiras. Yugo laminado. Yugo macizo. Núcleo en forma de U. Plataforma con ruedas.

Imán permanente en forma de barra.

Imán permanente en forma de herradura.

Galvanómetros. Aro de aluminio. Estativo. Pinza de mesa, *pass’’ Aisladores con soporte. Tuercas de sujeción.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

a) OBTENCIÓN DE CAMPOS MAGNÉTICOS UTILIZANDO CORRIENTE CONTINUA

Armar el circuito que muestra la figura. Prediga el sentido en que girará la brújula cuando fluya corriente por el conductor ab al conectar el interruptor S de la figura. Cierre el interruptor S, ¿Su predicción fue acertada?

b) CAMPO MAGNÉTICO DE UN SOLENOIDE

Arme el dispositivo como se muestra en las figuras 7 y 8. Conecte el interruptor S, observe el movimiento de la brújula. Desconecte el interruptor S, invierta la polaridad de la fuente. Conecte nuevamente el interruptor 8.

c) INTERACCIONES ENTRE CAMPOS MAGNÉTICOS.

Arme el circuito como se indica en la siguiente figura. Mantenga la distancia entre la bobina y el imán permanente en 0.5 cm. La corriente 1.0 A, conecte y desconecte el interruptor S, describa lo que observa. Repita este proceso invirtiendo la polaridad de la fuente.

d) CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LAS BOBINAS CON DIFERENTES NÚCLEOS, A PARTIR DE LOS VALORES MEDIDOS DE TENSIÓN Y CORRIENTE.

Arme el circuito de acuerdo a la figura que se muestra, llene las tablas del informe, realizando los cálculos respectivos.

e) DEMOSTRACIÓN CUALITATIVA DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA (ANILLO DE THOMPSON)

Este experimento se cambio con otro parecido pero con el mismo principio en el que se conecta unos imanes a la corriente y estos crean un campo magnético que interactúa con otros objetos como imanes esféricos, relojes, anillos, etc.

DATOS Y RESULTADOS

a) OBTENCIÓN DE CAMPOS MAGNÉTICOS UTILIZANDO CORRIENTE CONTINUA

Al colocar la aguja de la brújula en el circuito como muestra la imagen, esta guja giraba a favor de las manecillas del reloj, pero cuando cambiamos de polaridad, esta aguja ahora giraba en contra de las manecillas del reloj.

b) CAMPO MAGNÉTICO DE UN SOLENOIDE

Al conectar la bobina, la aguja de la brújula apuntaba en dirección a la bobina, pero cuando de cambiaba la polaridad la aguja de la brújula apuntaba en dirección contraria a la de la bobina.

Imagen 2. Brújula junto a una bobina

Aguja de la brújula

Imagen 1. Aguja de una brújula en un circuito

c) INTERACCIONES ENTRE CAMPOS MAGNÉTICOS.

Al mandar voltaje a la bobina que estaba sujeta a un carrito, se producía un campo magnético tal que hacia que se acercara el carrito al imán como lo muestra la imagen. Después cambiamos la polaridad del circuito y notábamos que ahora el carrito se alejaba del imán pero si acercábamos mucho se volvían a juntar, a mi parecer creo que esto se debía a que imán estaba muy oxidado y ya no funcionaba bien.

d) CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LAS BOBINAS CON DIFERENTES NÚCLEOS, A PARTIR DE LOS VALORES MEDIDOS DE TENSIÓN Y CORRIENTE.

Se pudo notar que la corriente cuando la tensión es continua, es igual en el aire (bobina) y en el fierrito de la bobina. Pero cuando la tensión es alterna las corrientes, en el aire y en el fierrito de la bobina, son diferentes. Los datos se muestran en las siguientes tablas.

Imagen 4. Medidas de tensión alternaImagen 3. Medidas de tensión continua

Imagen 3. Interacción entre Bobina e imán

TABLA d.1 tensión continua

Núcleo V (V) I (A) R (Ω)Aire 5.0 0.50 10Fe(yugo) 5.0 0.50 10

TABLA d.2 tensión alterna

Núcleo V (V) I (A) R (Ω)Aire 5.0 0.34 14.7Fe(yugo) 5.0 0.10 50

e) DEMOSTRACIÓN CUALITATIVA DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA

Al conectar esa barra de imán a la corriente como en las imágenes, se producía un campo magnético, y entonces al acercar un imán esférico este imán empezaba a vibrar, lo que indica la presencia del campo magnético.

También cuando insertábamos un reloj en la barra de imán y al pasarle corriente, se observaba que las manecillas del reloj giraban a una velocidad mayor, lo cual demostraba la presencia del campo magnético producido por la barra de imán.

Otro experimento fue al insertar un anillo de aluminio en la barra de imán, y al pasar corriente a la barra, este anillo empezaba a levitar hacia arriba, y lo hacia mas rápidamente si aumentábamos la intensidad de corriente. Aquí también se demuestra la presencia de campo magnético en la barra.

Imagen 6. Reloj y barra de imán Imagen 5. Imanes Imagen 7. Imán y anillo

Otro experimento fue el colocar una moneda en la parte superior de la barra de imán y al pasarle corriente esta moneda se movía debido a la presencia de campos magnéticos.

Una observación muy notoria es que esa barra de imán se calentaba al pasar corriente, pero también es notorio que se calentaba más en su base que en su parte superior y esto se debe a que la corriente va hacia arriba y se sabe que la dirección de la corriente va de mayor a menor, y por eso esa diferencias de temperatura.

ANÁLISIS

¿Cuál será el sentido de rotación de la brújula al conectar el interruptor S, si antes de hacerlo la pone perpendicular al conductor AB de la figura?

Si esta perpendicular a la barra el imán no se mueve siempre y cuando el voltaje no varié el campo magnética.

¿Cuál será el sentido de rotación de la brújula al conectar el interruptor S, si antes de hacerlo la pone paralelo al conductor AB de la figura?

180º gira el imán. Debido a la corriente que pasa por AB.

Explique la levitación magnética del anillo de Thompson.

Se eleva porque la fuerza magnética es mayor que la fuerza gravitacional al inicio, hasta que ambas fuerzas se equilibran.

Y si lo bajamos se calienta porque necesita mas corriente para poder elevarse. Y además porque nosotros estamos realizando trabajo al moverlo hacia abajo.

DISCUSION

Los experimentos realizados en esta práctica de laboratorio nos permiten tener muy en claro la estrecha relación entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas.

En el primer experimento, observamos la dirección a la cual apunta el norte de la brújula cuando se pasa corriente por un conductor. Para esta actividad, se consideraron los dos posibles sentidos de corriente en el conductor, y observamos que la dirección de la aguja de la brújula era distinta en cada uno de estos dos casos. Esto se debe al hecho que el norte de la brújula apunta hacia el sentido del campo magnético generado por la corriente en el conductor, y éste varía su sentido según si la corriente va de derecha a izquierda o de izquierda a derecha.

En el segundo experimento, también se observa que la aguja de la brújula apunta en dirección al campo magnético

En el tercer experimento se buscaba analizar la interacción entre dos campos magnéticos: el del imán en forma de herradura y el generado por la bobina, sujeta a un carrito, por la cual circula corriente. Entonces se observó que el carrito se acercaba al imán debido a que los campos magnéticos de ambos iban en la misma dirección, y al cambiar la polaridad del circuito pues ahora se alejaba el carrito del imán debido a que los campos magnéticos van en direcciones opuestas.

El cuarto experimento consistía en medir los valores de corriente y voltaje de la bobina conectada primero a una fuente de tensión continua y luego a una de tensión alterna, y ver cómo los valores de resistencia y corriente variaban según el núcleo de la bobina. El voltaje se fijo en los 5.0 voltios. Cuando se trabajó con tensión continua, observamos que tanto los valores de corriente y resistencia permanecieron constantes sin importar el núcleo que la bobina tuviere. Esta situación se debe a que como la tensión es constante, el campo que se genera también lo es, por lo que en una ausencia de cambio de flujo magnético la bobina ofrece una misma resistencia al paso de corriente, por no inducirse una FEM en ella. En cambio, para el caso de tensión alterna, ahí si variaron los valores de corriente y resistencia. Dicho comportamiento se debe a que si la tensión es alterna, su variación provoca que el campo magnético generado no sea constante; al aparecer una variación en el flujo magnético se induce una FEM en la bobina que se opone al cambio de flujo mencionado. Siendo así, el núcleo que se le ponga a la bobina intensificará o no dicha FEM inducida, provocando entonces que distintas oposiciones al paso de corriente.

El último experimento correspondía a la demostración cualitativa de la levitación magnética. Lo que ocurre en el circuito armado es que la corriente que pasa por la barra de imán genera un campo magnético y por esa variación de temperatura notada entre su base y su parte superior nos quiere decir que el campo magnético es variable

y por tanto que existe un flujo magnético. Por eso es que al insertar el anillo en la barra y pasarle corriente, el anillo induce una corriente de tal forma que se opone a dicha variación de flujo, cuyo sentido resulta ser contrario al de la otra corriente. Por ello, la barra de imán y el anillo experimentan fuerzas de repulsión, y eso hace que al anillo levite. También se notó que además de la barra, el anillo también se calentó muchísimo debido a la interacción entre estos campos magnéticos.

CONCLUSIONES

Las corrientes eléctricas y los campos magnéticos están estrechamente relacionados. Una corriente que pasa por un conductor puede generar un campo magnético.

Alrededor de un conductor que transporta corriente se genera un campo eléctrico. Y que el sentido del campo y la fuerza la obtenemos con la regla de la mano derecha.

Los campos magnéticos producen una fuerza magnética la cuál en cuerpos cercanos produce un torque magnético,

Los campos interactúan entre sí; según la dirección que tengan, los elementos que los generan se atraen o se repelen.

Con los experimentos realizados podemos decir que hemos producido campos magnéticos utilizando corriente alterna y continúa, hemos observado las características de estos campos y que sucede cuando se invierte la polaridad, y cuando estos campos interactúan con bobinas, brújulas, etc. En su cercanía.

La levitación magnética se debe a la repulsión que sienten dos elementos por los cuales circulan corrientes en sentidos opuestos, ocasionando fuerzas de repulsión entre ellos.

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,

1993 KAGANOV, M y V. Tsukernik (1985), La Naturaleza del Magnetísmo, Edil., Mir. http://www.pps.k12.or.us/district/depts/edmedia/videoteca/curso3/htmlb/

SEC_65.HTM