Download LABORATORIO_DE_ELECTROMAGNETISMO_Nº6_4

LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO Nº6
LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY
ROYERO IBARRA LAURA
OSPINO PEREZ ROMARIO
FLORIAN MIGUEL
Lic. Juan Pacheco Fernández
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y TECNOLOGIAS
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR
VALLEDUPAR - COLOMBIA
2016-2
PRESENTACIÓN
Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes
hasta 1820, cuando su relación fue descubierta por casualidad. Así, hasta esa
fecha el magnetismo y la electricidad habían sido tratados como fenómenos
distintos y eran estudiados por ciencias diferentes.
Sin embargo en 1820 esto cambio gracias al descubrimiento que realizó el físico
danés Hans Chirstian Oersted, observando que la aguja de una brújula variaba su
orientación al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella.
El descubrimiento de Oersted de los efectos magnéticos causados por la corriente
eléctrica, creo un gran interés en la búsqueda de los efectos eléctricos producidos
por campos magnéticos, que es la inducción electromagnética, descubierta en
1830 por Michel Faraday y Joseph Henry, casi simultáneamente y de manera
independiente.
Ampère había malinterpretado algunos experimentos, porque
buscaba fenómenos eléctricos causados por campos magnéticos estáticos. Los
experimentos de Faraday y Henry, mostraron que una corriente eléctrica podría
inducirse en un circuito mediante un campo magnético variable. Los resultados de
estos importantes experimentos llevaron a la ley conocida como Ley de Inducción
de Faraday.
También, los campos eléctricos cambiantes producen campos magnéticos. Esto
no se descubrió experimentalmente, porque el efecto hubiera sido mínimo en los
experimentos de laboratorio realizados a principios del siglo XIX. Maxwell predijo
teóricamente este hecho entre los años 1857 y 1865, en estudios cuyo objeto era
desarrollar
una
electromagnética.
base
matemática
y
conceptual
firme
para
la
teoría
Sugirió que un campo eléctrico cambiante actúa como una
corriente de desplazamiento adicional en la ley de Ampere.
En el siguiente laboratorio, se comprobara de forma experimental la ley de
Faraday, así como también algunos aspectos asociados.
OBJETIVO GENERAL
 Comprobar que al moverse perpendicularmente un conductor en un campo
magnético se obtiene como resultado una corriente inducida.
LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY
MARCO TEÓRICO
Seguidamente se explicaran los principios y conceptos necesarios para la
comprensión,
realización y explicación de todos los procesos y resultados
obtenidos en esta práctica experimental.
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
La inducción electromagnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos
generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material
conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá
una corriente eléctrica en el conductor (Figura 1).
Figura 1: Corriente inducida mediante un campo magnético variable.
Cuando se dice que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un
conductor, se hace referencia a que aparece una fem (llamada fem inducida) de
modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente
inducida). La ley que explica esta interacción entre la fuerza electromotriz inducida
y el campo magnético es la Ley de Faraday.
LEY DE FARADAY
Previo a la definición de la ley de Faraday, se explica el concepto de flujo
magnético.
Flujo magnético
A la cantidad de líneas de fuerza que salen por un polo se le denomina flujo
magnético. Es decir, este indica el número de líneas de fuerza que atraviesan una
superficie cualquiera en el interior de un campo magnético (Figura 2), lo que sería
una medida de la cantidad de magnetismo.
Figura 2: Flujo magnético.
Se representa por Φ y se calcula con el campo magnético, la superficie sobre la
que actúa dicho campo y el ángulo que forman las líneas de fuerza del campo y
los diferentes elementos de superficie:
(𝐸𝑐. 1)
Dónde:
Φ es el flujo magnético.
B es el vector inducción magnética.
dA es una superficie infinitesimal.
Esta expresión se utiliza cuando el vector Inducción no es uniforme. En el caso de
un campo magnético uniforme a través de un circuito plano, el flujo es:
(𝐸𝑐. 2)
Dónde:
Φ es el flujo magnético.
B es el vector inducción magnética.
A es el vector superficie, que por convenio es normal a la superficie.
α es el ángulo que forman B y A.
Ley de Faraday
La Ley de inducción electromagnética de Faraday o 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 (Figura 3):
(𝐸𝑐. 3)
Dónde:
E es el campo eléctrico.
dl es el elemento infinitesimal del contorno C.
B es la densidad de campo magnético.
S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C.
Figura 3: Ley de inducción electromagnética de Faraday.
La interacción entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magnético es la
Ley de Faraday:
(𝐸𝑐. 4)
Por tanto, para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida, debe variar
el flujo del campo magnético a través de la superficie delimitada por el conductor.
De la definición de flujo se deduce que hay tres formas de variar el flujo del campo
magnético: variar el módulo del campo, la superficie que lo atraviesa o el ángulo
que forman ambos. En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula
anterior se transforma en:
(𝐸𝑐. 5)
La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue
incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo. El
signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente
inducida y se conoce como Ley de Lenz.
LEY DE LENZ
Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la
formuló en el año 1834. La ley de Lenz establece que el sentido de la corriente
inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce (Figura 4). Esta
ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.
Figura 4: Ley de Lenz.
La ley de Lenz significa que la corriente inducida en un circuito tendrá un sentido
tal que el campo magnético generado por dicha corriente compense la variación
del flujo que la ha causado.
Dicho de otra forma, la polaridad de una FEM inducida es tal, que tiende a
producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones
del campo existente producido por la corriente original (Figura 5).
Figura 5: Oposición del campo magnético inducido al campo magnético inductor.
MATERIALES
 1 Multímetro UT33C.
 1 Fuente de voltaje DL1003.
 4 Cables de conexión de 70 cm aproximadamente.
 2 Imanes rectangulares de 7,5cm.
 2 Imanes con forma de aro.
 1 Bobina #740-20 de 1000 espiras.
 5 Alfileres de 2cm aproximadamente.
 1 Núcleo férrico de 7cm aproximadamente.
 15 Grapas pequeñas para papel.
PROCEDIMIENTO
1. Realice el montaje indicado en la Figura 6.
Figura 6: Montaje experimental.
2. Mueva lentamente el imán (acercándolo y alejándolo) en dirección
perpendicular a la del campo y describa lo observado en el multímetro.
Resultados.
Haciendo uso de los implementos anteriormente descritos, se organizó el montaje
de la figura 6. Posteriormente, se tomó el imán rectangular y se movió de arriba
abajo, introduciéndolo por el centro hueco de la bobina. En este proceso se
hicieron las siguientes observaciones:
*Cuando el polo norte del imán esta hacia arriba y el polo sur hacia abajo, se
produce una corriente positiva cuando este entra a la bobina (Figura 7-A) y una
negativa cuando sale (Figura 7-B).
* Cuando el polo sur del imán esta hacia arriba y el polo norte hacia abajo, se
produce una corriente positiva cuando este sale de la bobina y una negativa
cuando entra.
Además, aproximadamente, la máxima corriente producida que se pudo observar
fue de 400𝜇𝐴.
Figura 7: (A) Acercamiento del polo sur del imán al centro de la bobina y (B)
alejamiento del polo sur del imán del centro de la bobina.
3. Coloque más rápido el conductor dentro del campo y observe el multímetro.
Resultados.
Al repetir el procedimiento anterior, pero aumentando la velocidad con que se
introducía y se sacaba el imán, se observaron los mismos resultados en cuanto a
sentidos de la corriente en cada caso, siendo estos sentidos indicados por el
signo. La única variedad para este proceso es que, aproximadamente, la máxima
corriente producida fue 1000𝜇𝐴.
4. Aumente la intensidad del campo magnético que acerca a la bobina y explique
lo observado en el multímetro.
Resultados.
Con el propósito de aumentar la intensidad del campo magnético se utilizaron dos
imanes rectangulares simultáneamente. Los sentidos de la corriente inducida
(identificados por el signo mostrado en el multímetro), permanecieron invariantes a
los resultados del inciso 2. La única diferencia observada fue que la corriente
inducida tenía mayor magnitud.
5. Deje el conductor en reposo dentro del campo magnético y observe el
galvanómetro. ¡Explique!
Resultados.
Al dejar el conductor en reposo dentro del campo magnético, no se produjo
ninguna corriente inducida. Esto se evidencia con el hecho de que el multímetro
marcó 0𝜇𝐴 (Figura 8).
Figura 8: Campo magnético en reposo o estático.
6. Mueva el conductor paralelamente a la dirección del campo magnético y
observe el galvanómetro. ¡Explique!
Resultados.
Al mover el imán de izquierda a derecha por los lados de la bobina, se observó en
el multímetro, aproximadamente, una corriente mínima de -0,05𝜇𝐴 (Figura 9-A) y
una máxima de 0,08𝜇𝐴 (Figura 9-B). Esto indica que al mover el imán de esta
forma, la corriente inducida es muy mínima o despreciable, considerando la escala
empleada. Es decir, que despreciando lo errores prácticos, la corriente inducida es
cero.
Figura 9: Movimiento paralelo del campo magnético del imán respecto a la
bobina, en donde (A) es la corriente mínima y (B) la máxima.
7. Conecte los terminales de la bobina a una fuente de corriente continua, coloque
unos alfileres a unos 3cm de distancia de la bobina y aumente lentamente tanto el
voltaje como la corriente que por ésta pasa. ¡Describa lo observado!
Resultados.
Utilizando la fuente de voltaje, se conectaron los terminales de la bobina a esta
diferencia de potencial.
En un principio, al utilizar la bobina sin núcleo férrico, a pesar de aumentar el
voltaje hasta 20V, el campo magnético fue tan débil que no pudo mover, ni mucho
menos atraer, a los alfileres.
Luego, al realizar el mismo procedimiento pero introduciendo el núcleo férrico, se
observó que al aumentar el voltaje hasta los 9V, ya el campo magnético producido
era capaz de mover los alfileres y a los 12V, capaz de atraerlos.
Figura 10: Campos magnéticos generados por una corriente eléctrica.
ANÁLISIS Y RESULTADOS
1. Explique por qué se produce corriente eléctrica al mover el conductor de un
campo magnético perpendicular a él.
Al mover un conductor de un campo magnético perpendicularmente a él se
produce una corriente eléctrica debido a que el movimiento hace que el campo
magnético sea variable. Es decir, este movimiento ocasiona una variación del
número de líneas de fuerza del campo que atraviesan una superficie (en este caso
la bobina o solenoide), así como el ángulo que estas forman con los elementos de
la superficie. Esto se traduce en una variación del flujo magnético a medida que el
tiempo transcurre. Por esta razón se produce una inducción electromagnética,
fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje)
sobre el cuerpo de la bobina y como es conductora, produce la corriente inducida.
2. ¿Por qué cuando la espira esta quieta o se mueve en la dirección del campo
magnético, no se presenta corriente eléctrica inducida?
En consecuencia a la respuesta anterior, si la espira esta quieta, aunque hay flujo
magnético, este no tendrá variación al pasar el tiempo, ya que las líneas de campo
que atraviesan las espiras serán las mismas. Es por esto que no se produce
fuerza electromotriz y por tanto, tampoco corriente inducida.
Del mismo modo tampoco habrá corriente inducida si se mueve la espira en la
dirección del campo ya que el ángulo entre la lineas de flujo y el vector de área de
la espira (que es perpendicular a esta) es 90º. Por tanto de acuerdo a la definición
de flujo magnético (Ec. 1), este será cero y no tendrá variación. En las condiciones
reales del experimento hubo una corriente, pero extremadamente mínima
considerando la escala, esto se debe a que no se movía el imán completamente
paralelo a la dirección del campo magnético, generándose así esos pequeños
márgenes de error.
3. ¿Qué sucede al aumentar la velocidad con que se mueve el conductor en un
campo magnético perpendicular a él?
Si el conductor, en este caso una bobina, es quien se mueve en el campo
magnético perpendicular a él; tenemos que al acercar y alejar la bobina, ésta será
atravesada por las líneas del campo magnético. Esto generará un flujo magnético
que varía con el movimiento de la bobina y luego producirá una corriente,
entonces entre más rápido sea este movimiento más líneas de campo atravesarán
por la bobina por lo que el flujo será más variable en el tiempo y la corriente
inducida será mayor a la que se obtendría en las mismas condiciones con menor
velocidad.
4. ¿Qué sucede cuando se aumenta la densidad del campo magnético?
Físicamente, al aumentar la intensidad del campo, lo que sucede es que también
aumenta la fuerza electromotriz inducida en la bobina, y por tanto, también lo hace
la corriente inducida. Esto se debe a que si el campo magnético aumenta, las
lineas de campo magnético que lo representan serán más y estarán más
próximas. Esto se traduce en un mayor flujo magnético, cuya variación en el
tiempo debido al movimiento, será mayor.
5. Explique el significado físico del signo menos (-) que aparece en el multímetro.
Físicamente, el signo menos en el multímetro indica el sentido real que lleva la
corriente inducida en la bobina. El sentido de la corriente inducida es tal que tiende
a oponerse a la causa que lo produce; siendo esto una consecuencia del principio
de conservación de la energía.
6. ¿Qué sucederá si cambiamos la polaridad de la corriente que pasa por la
bobina? ¡Explica!
Cuando varias espiras se arrollan para formar una bobina, y la corriente pasa a
través del conductor, el campo magnético de cada espira enlaza con el de la
siguiente.
El campo magnético producido entre dos espiras es similar al producido entre dos
conductores paralelos cuyas corrientes fluyen en la misma dirección. La influencia
combinada de todas las vueltas produce dos campos paralelos de dos polos,
semejantes al de un imán permanente en forma de barra. Tendrá todas las
propiedades de un imán permanente en tanto la corriente esté fluyendo.
Una inversión en la corriente en el conductor provoca la inversión de la dirección
del campo magnético que ella produce. Por lo tanto, la inversión de la corriente
produce la inversión de los polos del campo.
7. Explica la importancia que tuvo la inducción electromagnética en el desarrollo
físico y tecnológico de la humanidad.
La importancia de la inducción electromagnética es tal que no se podría imaginar
la vida actual sin dicha función ya que se aplica en casi todos los aparatos
eléctricos, desde los cargadores de los celulares que usan la inductancia para
transformar la corriente alterna de 110-220 voltios a directa de 3.5 mediante dos
bobinados hasta las correas espaciales de última generación (propulsores de
inducción electromagnética).
Francamente sin la inducción electromagnética no podríamos concebir ningún
aparato electrónico ni motores eléctricos ni computadora, ni siquiera distribuir la
corriente por el cableado de una ciudad pues no se podría graduar su intensidad y
esta variaría en función de su consumo y producción tan rápida e inestable que
resultaría inoperable.
CONCLUSIONES
- El fenómeno electromagnético puede ser muy bien descrito con el uso de las
bobinas o solenoides, ya que al establecer una corriente con una polaridad
definida en los terminales de ésta se producirá un campo electromagnético, y si
este campo se intensifica con un núcleo férrico, la bobina se convierte en un
electroimán.
- Entre mayor sea el voltaje establecido en los terminales de una bobina con un
núcleo férrico, mayor será la intensificación del campo por lo que el electroimán
tendrá mayor fuerza de atracción. Esta capacidad es ampliamente usada en la
industria.
- Una bobina al estar expuesta a un campo magnético variable con el tiempo
producirá una corriente cuyo signo depende de cómo atraviesen la bobina las
líneas de flujo del imán.
BIBLIOGRAFÍA
http://docencia.udea.edu.co/regionalizacion/irs-404/contenido/capitulo10.html
Consultado el 25/11/2016
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/induccion.
html
Consultado el 25/11/2016
http://cmagnetico.blogspot.com/2009/06/ley-de-induccion-de-faraday.html
Consultado el 25/11/2016
http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//2750/2956/html/13_flujo_m
agntico.html
Consultado el 25/11/2016
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptosbasicos/iv.-electromagnetismo
Consultado el 25/11/2016
http://www.physicstutorials.org/pt/es/105Flujo_magn%C3%A9tico_y_Permiability_magn%C3%A9tica
Consultado el 25/11/2016