TRABAJO COLABORATIVO N°3

ELECTROMAGNETISMO

FUAN EVANGELISTA GOMEZ RENDON

TUTOR

JUAN CLIMACO PINILLA OSPITIA

CODIGO 201424_44

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

TECNOLOGIA EN ELECTRONICA

CEAD – ACACIAS

2013

INTRODUCCION

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).

El descubrimiento de Oersted según el cual las cargas eléctricas

en movimiento interaccionan con los imanes y el descubrimiento posterior de que

los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre corrientes eléctricas, no solo

mostraba la reacción entre dos fenómenos físicos hasta entonces independientes,

sino también porque podría ser un camino para producir corrientes eléctricas de

un modo mas barato que con la pila de volta. Faraday fue el que obtuvo primeros

resultados positivos en la producción de corrientes eléctricas mediante campos

magnéticos.

Leyes de Faraday y de Lenz: Faraday descubrió que cuando un conductor es

atravesado por un flujo magnético variable, se genera en el una fuerza

electromotriz inducida que da lugar a una corriente eléctrica.

OBJETIVOS

- Utilizando recursos del medio y mucha consulta y trabajo colaborativo, conocer y socializar, cómo generar corriente eléctrica usando un imán.

-Investigar la relación entre el flujo de carga eléctrica y el tiempo que tarda en almacenarse energía eléctrica en forma de campo en una región adecuada, un capacitor.

-Explorar la forma, dirección e interacción de los campos magnéticos.

DESARROLLO DEL TALLER

INDUCCIÒN ELECTROMAGNÈTICA

MATERIALES Bobina con núcleo de aire y 50 espiras. Bobina con núcleo de aire y de 100 espiras. Dos imanes de barra Cables, conectores Galvanómetro con cero en el centro Bobina de una sola espira

PROCEDIMIENTO

1. Conectar la bobina de una sola espira al galvanómetro, como se ilustra en la figura. Introduzca uno de los imanes de barra a través de la bobina y comienza a generar con su mano y en el interior una movimiento armónico simple. Observe cuidadosamente la aguja del galvanómetro y anote sus observaciones.

2. Conecte las terminales del galvanómetro a la bobina de 50 espiras. Introduzca el imán dentro de la bobina y repita cuidadosamente la experiencia anterior. Registre sus observaciones y vaya sacando conclusiones. En el desarrollo de esta práctica se observa como el imán que posee un campo magnético hace que la bobina genere niveles de corriente bajos al momento de acercarlos.

3. Conecte las terminales del galvanómetro a la bobina de 100 espiras. Intro- duzca el imán dentro de la bobina y repita cuidadosamente la experiencia anterior. Registre sus observaciones y continúe sacando conclusiones.

Se observó que a mayor cantidad de espiras es mayor la corriente que genera la bobina con el imán.

4. Repita la experiencia anterior invirtiendo la polaridad del imán de barra y si percibe cambios anote con cuidado sus observaciones.

Se deduce que el movimiento del galvanómetro es similar a los anteriores experimentos debido a que también se generan corrientes en la bobina por la presencia del imán aun estado invertido, también se observa que cambia el sentido de la corriente.

5. Si el diámetro del núcleo se lo permite (en caso contrario rediseñe sus bobinas) una los dos imanes de barra (para generar un imán más fuerte) e introduzca el sistema a la bobina de 100 espiras. Observe el movimiento de la aguja del galvanómetro; ahora genere movimientos armónicos simples y a diferentes frecuencias o velocidades y analice con cuidado el movimiento de la aguja del galvanómetro. Anote una a una sus observaciones y saque conclusiones significativas del proceso. Observamos que al unir los dos imanes estamos creando un nuevo imán con una fuerza magnética mayor, al existir mayor fuerza estamos generando una mayor inducción electromagnética, por otro lado si generamos un movimiento lento de el voltaje inducido será menor ya que dependemos de la velocidad del movimiento del imán en este caso de la frecuencia y si aumentamos el movimiento generamos un mayor voltaje inducido.

ANÀLISIS

1. Explique en lenguaje sencillo sus apreciaciones del movimiento generado en la aguja cuando el imán se introduce en la bobina de una espira:

El imán induce en la bobina una corriente muy pequeña casi imperceptible que se demuestra en el pequeño movimiento de la aguja del galvanómetro.

2. Explique en lenguaje sencillo sus apreciaciones o implicaciones del movimiento generado en la aguja del galvanómetro cuando el imán se introduce en cada una de las bobinas de 50 y 100 espiras.

La fuerza que genera movimiento en la aguja del galvanómetro aumenta cuando mayor es el número de espiras de la bobina, tratando de mantener un movimiento constante en el imán. Cuando el inductor corta el campo magnético en una dirección, se induce la corriente en un sentido y al invertir su movimiento también cambia la dirección de la corriente. El movimiento de la aguja se desplaza más con las 100 espiras que con las 50 espiras por que se induce más voltaje con mayor cantidad de espiras.

3. Explique en lenguaje sencillo sus apreciaciones e implicaciones del movimiento generado en la aguja cuando sistema de imanes se introduce en cada una de las bobinas y se mueve a diferentes frecuencias o velocidades:

La frecuencia del movimiento o velocidad de este en los imanes de la bobina también es un factor de cambio en la corriente inducida a mayor rapidez es mayor el movimientos de la aguja del galvanómetro por lo tanto mayor la corriente inducida.

1. Finalmente dejar el sistema de imanes en reposo y mover a diferentes velocidades cada una de las bobinas alrededor del sistema de los imanes; sacar conclusiones de los registros conservados y proponer explicaciones razonables.

Se observa un movimiento similar al de las anteriores experiencias, es decir que podemos concluir que el campo magnético del imán de esta forma también produce la misma fuerza electromotriz en la bobina

2. Tratar de buscar, consultar o sugerir una explicación al fenómeno siguiente: “la aguja del galvanómetro se desvía en una dirección cuando el imán se introduce en la bobina y en la dirección opuesta cuando el imán se saca”.

Se observa, que cuando la corriente va en un determinado sentido, la aguja del galvanómetro se desplaza, por ejemplo, hacia la izquierda del cero, mientras que, si la corriente cambia de sentido, la aguja se desplaza hacia la derecha. Para generar una fuerza electromotriz inducida, y por tanto, una corriente inducida, se aleja o se acerca el imán introduciéndolo y sacándolo de la bobina El flujo del campo magnético del imán varía en la bobina generando corriente con un sentido y después en otro. 3. Encuentre los factores que afectan directamente la “F.E.M” (fuerza electromotriz) generada en un sistema de inducción y explique la influencia en la generación del voltaje inducido de cada uno de ellos.

La intensidad del campo magnético, al tener un imán más fuerte la corriente inducida es mayor. El número de espiras de la bobina, a mayor número de espiras mayor es la corriente inducida. La rapidez de cambio del flujo magnético, es decir que a mayor cabio del campo magnético respecto al tiempo, mayor es la corriente inducida.

4. Construya un transformador elevador y un transformador reductor y utilizando al máximo su talento y sus consultas y con la inversión mínima (aprovechar cuantos elementos estén a su alcance y en su entorno social inmediato) alambre con laca, varilla, aislantes. Estudie su comportamiento y explique cómo funciona el principio de inducción electromagnética.

No se realizó esta práctica ya que no se contó con el tiempo necesario en el laboratorio de la Universidad. Pero principalmente para desarrollar un transformador se requiere de saber cuál es su voltaje en el primario y cuál va a ser su voltaje de salida o en el secundario. Un transformador puede ser elevador o reductor, pero siempre se debe mantener su potencia. En un transformador ideal la potencia que ingresa es igual a la potencia que se entrega.

Para diseñar un transformador debemos manejar la relación de transformación que nos indica el aumento o disminución que sufre el valor de tensión de salida con respecto a su entrada, esto quiere decir que por un voltio de entrada en el transformador cuantos voltios de salida debe haber. La relación de transformación debe ser:

EpEs

=NpNs

Donde Ep equivale a la fuerza electromotriz inductora en la bobina primaria. Donde Es equivale a la fuerza electromotriz inductora en la bobina secundaria. Donde Np equivale al número de espiras del devanado primario. Donde Ns equivale al número de espiras del devanado secundario.

1. Ejemplo para transformador elevador. Necesito construir un transformador de 110 voltios a 220voltios AC. En el primario tengo una bobina de 200 espiras y necesito hallar cuantas espiras es el secundario. Entonces:

EpEs

=NpNs

110 v220 v

=200 vueltasNs

Despejamos Ns:

Ns=200 vueltas∗220 v110v

Ns=400 vueltas

2. Ejemplo para transformador reductor. Necesito construir un transformador de 110 voltios a 12voltios AC. En el primario tengo una bobina de 200 espiras y necesito hallar cuantas espiras es el secundario.

EpEs

=NpNs

110v12 v

=200 vueltasNs

Despejamos Ns:

Ns=200 vueltas∗12 v110 v

Ns=21.8vueltas

EL CAPACITOR

Materiales

Un capacitor de 1000F, resistencia de 10kΩ, resistencia de 27kΩ, voltímetro, fuente de voltaje, amperímetro CD y un cronómetro.

Marco conceptual

El capacitor es un dispositivo que almacena carga eléctrica. Una forma antigua de un capacitor es el recipiente de Leyden, Los capacitores están integrados por dos placas conductoras separadas por aire u otro material aislante, conocido como dieléctrico. La capacitancia, o capacidad de un capacitor, depende de la naturaleza del material dieléctrico, el área de las placas y la distancia entre ellas.

La figura uno es un diagrama del circuito de un capacitor, una batería, una resistencia, un voltímetro y un amperímetro, que no se muestra y que se conecta en serie para medir la intensidad de corriente. La resistencia es un simple dispositivo que se opone al paso de corriente eléctrica. La corriente eléctrica en un periodo se mide en unidades llamadas amperes; 1 coulomb/segundo = 1 ampere. Cuando el interruptor está abierto, como muestra la figura uno, no fluye corriente eléctrica de la batería. Sin embargo, cuando el interruptor está cerrado, la batería suministra energía eléctrica para mover las cargas positivas a una placa del capacitor y las cargas negativas a la otra. Se acumula carga en cada una de las placas del capacitor, pero no fluye corriente a través de él puesto que el centro del capacitor es de material aislante. A medida que la carga se acumula en el capacitor, aumenta la diferencia de potencial entre las dos placas hasta alcanzar la misma diferencia de potencial que la batería. En este punto, el sistema se encuentra en equilibrio y ya no fluye más carga eléctrica al capacitor. La capacitancia se mide poniendo una cantidad específica de carga en un capacitor y midiendo después la diferencia de potencial resultante. La capacitancia, C, se encuentra por medio de la siguiente

relación C= q/v donde C es la capacitancia en faradios, q es la carga en coulombios y V es la diferencia de potencial en volts.

En este experimento, usted empleará un capacitor y medirá la intensidad de corriente que fluye hacia él en un periodo. Luego determinará la capacitancia del capacitor.

PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACION DE LA PRÁCTICA:

1. Arregle el circuito como muestra la figura uno. El amperímetro, el capacitor y la batería deben conectarse en el orden adecuado. Vea las marcas + y - en los componentes del circuito. La placa positiva del capacitor debe conectarse a la terminal positiva de la batería. Si las conexiones se invierten, el capacitor puede dañarse. Las resistencias no tienen extremo + o +. Registre en la tabla 1 el voltaje de la batería y el valor del capacitor.

2. Con un compañero de práctica tomando el tiempo y otro leyendo y registrando los valores de corriente, encienda la fuente de poder y empiece a tomar las lecturas. En el instante que se enciende la fuente, circulará una gran corriente. Tome lectura de la corriente cada cinco segundos, el primer dato se toma 5 segundos después de encender la fuente, hasta que sea demasiado pequeña para medirla. Estime sus lecturas del amperímetro con la mayor precisión posible. Registre las lecturas en la tabla 2.

3. Apague la fuente de poder. Empleando una pieza de cable conecte ambos extremos del capacitor para descargarlo.

4. Reemplace la resistencia de 27kΩ por la resistencia de 10kΩ

5. Repita los pasos 1 al 3 con el resistor de 10kΩ. Registre las lecturas en la tabla 2.

6. Después de que se han tomado todas las lecturas, desmantele el circuito. Asegúrese de desconectar todos los cables de la fuente de poder.

TABLA 1Voltaje Capacitancia Resistencia 1 Resistencia 212v 1000uf 27k 10k

TABLA 2Resistencia 1 Resistencia 2

Tiempo (s) Corriente (m.A)

Voltaje en C con R1

Corriente (m.A)

Voltaje en C con R2

0 0,4 0,15 0,93 0,475 0,34 1,9 0,61 4,5810 0,28 3,7 0,42 7,2915 0,24 4,92 0,25 8,820 0,21 6 0,16 9,825 0,19 6,9 0,11 10,530 0,17 7,7 0,07 10,935 0,16 8,4 0,056 11,2740 0,14 8,88 0,064 11,4745 0,13 9,37 0,034 11,5950 0,12 9,77 0,028 11,6955 0,115 10 0,024 11,7560 0,108 10,3 0,0213 11,7965 0,1 10,51 0,0194 11,8270 0,092 10,69 0,0178 11,8475 0,085 10,84 0,0165 11,8680 0,079 10,96 0,0153 11,8785 0,073 11,08 0,0144 11,8890 0,068 11,17 0,0135 11,8895 0,063 11,26 0,0128 11,89

100 0,059 11,33 0,0121 11,89105 0,055 11,39 0,0115 11,9110 0,052 11,45 0,011 11,9115 0,049 11,49 0,0105 11,91120 0,045 11,53 0,01 11,91125 0,042 11,56 0,0096 11,91130 0,04 11,6 0,0092 11,92

Describa con sus palabras ¿Por qué la corriente inició en un valor máximo y descendió hasta cero mientras el capacitor se estaba cargando?

Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito.

Analice los datos obtenidos con las dos resistencias. Explique la función de la resistencia en el circuito.

Como podemos observar el voltaje de la resistencia va aumentando a medida que las placas del condensador se van cargando, la resistencia limita el tiempo de carga del condensador.

Empleando los datos de la tabla 2, dibuje dos gráficas para la corriente eléctrica

Con R1 de 27KΩ

Con R2 de 10KΩ

NATURALEZA DEL MAGNETISMO

Materiales: Imanes. Papel Bond. Clips. Brújula Magnética. Clavo de Hierro. Limaduras de Hierro.

Repaso de conceptos:

Aunque muchas sustancias poseen ligeras propiedades magnéticas, sólo el hierro, cobalto y níquel, y sus aleaciones, forman poderosos imanes permanentes. Las aleaciones de hierro se magnetizan con facilidad, lo que no sucede con las de cobalto o níquel. Los imanes formados a partir de estas sustancias o de sus aleaciones son capaces de atraer o repeler otros imanes, tanto en su cercanía como a cierta distancia. Si un objeto contiene Fe, Co o Ni y un imán se acerca a él, el imán inducirá magnetismo en el objeto y después interactuará con él. En consecuencia, un imán puede atraer a un clavo que al principio no era un imán.

El concepto de un campo de fuerza se emplea para describir la fuerza que un cuerpo ejerce sobre otro a cierta distancia. Al igual que la fuerza gravitacional y eléctrica pueden explicarse mediante los campos gravitacional y eléctrico, las fuerzas magnéticas pueden explicarse en términos del campo magnético alrededor de un imán.

Una brújula es un pequeño imán que tiene la libertad de girar un eje en un plano horizontal. El extremo del imán que apunta hacia el norte recibe el nombre de polo norte (N). El extremo opuesto del imán se llama polo sur (S). La dirección de las líneas del campo magnético se define como la dirección a la cual apunta el polo norte de una brújula cuando se pone en un campo magnético.

Procedimiento:

Experimento A. Tipos de Polos: Sostenga una brújula y deje que la aguja quede en reposo. Para verificar

que apunta hacia el norte, coloque la brújula sobre la mesa; luego tome uno de los imanes de barra y acerque el polo norte a la brújula. El imán debe provocar la desviación de la aguja de modo que el polo sur de la misma apunte hacia el polo norte del imán. Verifique que ambos tengan la orientación polar correcta. Si el polo norte de un imán de barra atrae al polo norte de una brújula, tal vez el imán esté magnetizado de manera incorrecta. Si ambos imanes tienen la orientación correcta, proceda entonces con el experimento.

Experimento B. Líneas de Campo Magnético:

Coloque el imán de barra sobre la mesa y cúbralo con una hoja de papel. Distribuya suave y uniformemente limaduras de hierro sobre el papel. Golpee ligeramente el papel con su dedo varias veces hasta que las limaduras formen un patrón de campo. Las limaduras por sí solas se han alineado con el campo magnético.

Dibuje el patrón de campo de las limaduras de hierro en torno al imán.

Experimento C. Líneas de Campo Magnético entre Polos: Coloque ambos imanes sobre la mesa con el polo norte de uno de ellos

aproximadamente a 4 cm del polo norte del otro. Ponga el pedazo de papel sobre los imanes. Distribuya suavemente sobre él algunas limaduras de hierro. Golpee ligeramente el papel varias veces hasta que las limaduras de hierro formen líneas definidas. Dibuje el patrón de campo de las líneas de campo magnético, mostrando la orientación polar de los dos imanes.

Experimento D. Dirección de las Líneas de Campo Magnético: Trace el contorno de un imán de barra sobre un papel y marque los polos

norte y sur. Coloque el imán sobre el trazo. En tanto observa su dibujo, mueva lentamente la brújula de un polo al otro a lo largo de uno de los arcos de las líneas del campo magnético. Dibuje flechas que apunten en la dirección del polo norte de la brújula. Mueva la brújula a diferentes posiciones alrededor del imán y dibuje la dirección de la línea de campo magnético en cada posición.

Experimento E. Propiedades de la Piedra Imán: Acerque un imán a los clips. Registre sus observaciones.

Observaciones: se pudo observar que el campo magnético del imán atrae los componentes metálicos.

Acerque una brújula al imán y muévala alrededor de él. Registre sus observaciones.

Observaciones: Con este experimento observamos que al momento de ubicar la parte positiva del imán cerca de la brújula, su campo magnético genera una atracción con el polo sur de una brújula convencional, si se cambia la polarización del imán sucede todo lo contrario.

Experimento F. Magnetismo Inducido:

Pruebe el magnetismo de un clavo de hierro poniéndolo en contacto con los clips. Coloque el clavo en un extremo de un imán de barra. Después acérquelo a los clips mientras se encuentra unido al imán. Anote sus observaciones.

Observaciones: El clavo se magnetiza con el imán de tal forma que este atrae los clips.

Aproxime el extremo libre del clavo a su brújula. Advierta que el extremo libre se ha convertido en un polo. Verifique la polaridad del clavo y la del extremo del imán al cual se unió. Registre sus observaciones.

Observaciones: Con este procedimiento se observó que el clavo queda magnetizado con la misma polaridad del imán y al momento de ubicar la brújula cerca del imán este también se ve afectado por la polaridad que el clavo posee.

Análisis En qué puntos en el campo magnético de un imán se concentran más las

líneas de campo magnético.

Como podemos observar en cada una de las gráficas el campo magnético se concentra más en la parte de los extremos del imán en este caso sería el polo norte y el sur.

Describa las líneas de campo magnético entre dos polos iguales.

Como podemos observar esta grafica las líneas de campo magnético tienden a separarse con las líneas del campo magnético del otro imán esto es debido a que ambas tienen el mismo polo y ellas normalmente buscan su polo sur.

Describa las líneas de campo magnético entre dos polos diferentes.

En esta grafica se observa que las líneas de campo magnético van de polo norte a polo sur y viceversa, demostrando que la parte más cercana del imán que en este caso es el extremo va en una línea recta y a medida que se alejan de los extremos se va formando un arco entre ambos polos.

Resuma las propiedades de un imán.

Los imanes atraen algunas sustancias llamadas sustancias magnéticas como el acero y el hierro en cambio no atraen a otras como la arena el cobre y la madera. Los imanes tiene dos polos llamados norte y sur los Polos del mismo nombre se repelen y de distinto se atraen. Si se aproxima una varilla de hierro a un imán se induce y adquiere propiedades magnéticas. Con el calor se pierden las propiedades magnéticas. Los imanes poseen dos zonas en las que se concentra la fuerza que ejercen, estas zonas son los extremos del imán y reciben el nombre de polos magnéticos, norte y sur. Los polos del mismo nombre se repelen y los polos opuestos se atraen.

Cuando un clavo de hierro se une a un imán, ¿cómo es el tipo de polo en el extremo libre en comparación con el tipo de polo del extremo del imán en el cual se efectuó la unión?

El clavo adquiere una polaridad apropiada para la atracción. Esto es, el extremo de una barra de hierro pegada a un polo S de un imán (polo marcado del sur) temporariamente se convierte en un polo N. Dado que los polos magnéticos se dan en pares que forman un juego, el otro extremo de la barra se convierte temporariamente en un polo S, y puede en su momento atraer más hierro.

¿Qué conclusiones y observaciones tiene usted sobre este laboratorio?

Se observaron las diferentes formas de comportamiento de las líneas de campos magnéticos que hay en uno o más imanes, demostrando las teorías planteadas en el módulo. Se analizó que el campo magnético generado por un imán puede afectar materiales como lo es el hierro debido a que si se acerca un imán a uno de estos materiales parte de sus propiedades magnéticas también serán pasadas al material. Se observó que con un campo magnético se puede generar corriente.

CONCLUSIONES

-Se observaron las diferentes formas de comportamiento de las líneas de campos

magnéticos que hay en uno o más imanes, demostrando las teorías planteadas en

el módulo.

-Se analizó que el campo magnético generado por un imán puede afectar

materiales como lo es el hierro debido a que si se acerca un imán a uno de estos

materiales parte de sus propiedades magnéticas también serán pasadas al

material.

-En la investigación de este trabajo "electromagnetismo" me di cuenta que muchos

aparatos eléctricos que incluso tenemos en la casa funcionan gracias a este

fenómeno que ha sido tan estudiado por tantos años y que cada vez se presentan

nuevos avances en la tecnología, en las comunicaciones gracias al

electromagnetismo.

-En este trabajo me pude dar cuenta lo que significa el fenómeno de

electromagnetismo, sus usos, su historia y los científicos que lo han estudiado por

años. Se puede apreciar como dos fenómenos como la electricidad y el

magnetismo se unen formando el centro de nuestra investigación, como un simple

sonido del timbre de nuestra casa puede contener la ciencia estudiada, lo que

significa que donde miremos la física va ha estar ahí con alguno de sus múltiples

fenómenos.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Castro, C (2011).Modulo de Electromagnetismo. Medellín

Inducción a la electrotécnica de Marcelo Antonio Sobrevila año d 1967.

Enciclopedia temática autoevaluativa para el siglo XXI.

Interacción electromagnética: teoría clásica de Joan Costa y Fernando López A.

del año 2007.