Practica 8

GUÍA DE PRÁCTICAS: LABORATORIO DE FÍSICA-ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

UNIVERSIDAD DE CUENCA FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LABORATORIO DE FÍSICA-ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO PRÁCTICA 8: CORRIENTES ELÉCTRICAS Y CAMPOS MAGNÉTICOS 1. Objetivo General a) Observar la dependencia de la intensidad de campo magnético con la distancia para un imán permanente y observar la dependencia de la intensidad de campo magnético con la distancia y con la corriente para una bobina. 2. Objetivos Específicos: a) Comprobar para un imán permanente, que la intensidad de campo magnético varia en proporción inversa al cuadrado de la distancia desde la fuente hasta el punto de medición. b) Comprobar para una bobina, que la intensidad de campo magnético varia en proporción inversa a la distancia desde la fuente hasta el punto de medición. c) Comprobar para una bobina, que la intensidad de campo magnético varia en proporción directa a la corriente que circula por esta. 3. Sustento Teórico (Investigar e incluir en el informe): a) Corrientes eléctricas y campos magnéticos El campo magnético total generado por varias cargas en movimiento es la suma vectorial de los campos generados por las cargas individuales. Este principio se puede utilizar para encontrar el campo magnético producido por una corriente en un conductor. Comenzamos con el cálculo del campo magnético ocasionado por un segmento corto dl de un conductor que transporta corriente. Si hay n partículas en movimiento por unidad de volumen, cada una con una carga q, la carga total dQ que se mueve en el segmento es:

dQ=nqAdl La magnitud del campo resultante sería:

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pero es igual a la corriente I en dicho elemento, por lo que el campo estaría dado por:

b) Campo magnético alrededor de un conductor largo Una aplicación importante de la ley de Biot y Savart es la obtención del campo magnético producido por un conductor recto que conduce corriente. Al reunir los elementos, se encuentra que la magnitud total del campo B es:

Cuando la longitud 2a del conductor es muy grande en comparación con su distancia x desde el punto P, se puede considerar infinitamente larga. Cuando a es mucho mayor q x,

√ x2 +a 2

es aproximadamente igual a a; de

aquí que en el límite cuando a tiende al infinito, la ecuación se convierte en:

Campo eléctrico producido por una corriente en un conductor recto y largo:

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c) Campo magnético de una bobina La separación entre las espiras es tan pequeña que el plano de cada una está prácticamente a la misma distancia x del punto del campo P. cada espira contribuye por igual al campo, y el total es N veces el campo producido por una sola espira:

El factor N en la ecuación es la razón por la que se utilizan bobinas de alambre, y no espiras aisladas, para producir campos magnéticos intensos. Conforme se avanza a lo largo del eje, la magnitud del campo disminuye.

Líneas de campo eléctrico producidas por una espira, al verle cortado en dos puntos se asemeja al campo de un dipolo magnético.

Finalmente se puede concluir la forma del campo magnético de una bobina:

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d) Investigación: Tesla- Electricidad Inalámbrica (Ver video) La idea inicial de Nikola Tesla consistía en proveer de energía eléctrica a nivel mundial, por medio de una torre, esta se llamó la Torre Wardenclyffe, medía 57 metros de alto y tenía un diámetro de 20,7 metros. Comenzó ganando financiamiento de parte del banquero John Morgan. Su intención era desarrollar una red de alto voltaje que, sin necesidad de cables, suministrara la energía eléctrica necesaria. En 1905 por Morgan abandono el proyecto de la Torre de Tesla, después de una inversión de $ 150.000, Tesla trató y trató de sobrellevar el proyecto durante años hasta que en 1917 el gobierno de EE.UU explotó la abandonada torre de Wardenclyffe por presuntos espías alemanes. Tesla experimentó en la torre con un sistema de 1,5 MW en 1899 en Colorado Springs, y se sorprendió al encontrar que los impulsos eléctricos que envió pasaron al otro lado del mundo entero volvió con la misma fuerza. Este verificada la tremenda eficacia de su método peculiar de bombeo actual en una bola esférica para cargar hasta antes de la descarga como un impulso de energía eléctrica, un "Longitudinal" acústica de tipo de onda de compresión, en lugar de un electromagnética hertziano tipo de onda transversal. Por lo tanto, más parecido a una descarga electrostática de la mecánica ondulatoria. Esta energía eléctrica puede ser transmitida sin cables económicamente a cualquier distancia terrestre, sin lugar a dudas que he establecido en numerosas observaciones, experimentos y mediciones cualitativas y cuantitativas. Estos han demostrado que es factible para distribuir la energía desde una planta central en cantidades ilimitadas, con una pérdida no superior a una pequeña fracción de un uno por ciento en la transmisión, incluso a la mayor distancia, doce mil millas - al extremo opuesto del globo.

4. Materiales: Laboratorio: Fuente de alimentación de corriente continúa Cables de conexión Bobina de 40cm de diámetro

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Imán permanente PASCO: PASCO Interface (for two sensors) Magnetic Field Sensor (CI-6520A) Rotary Motion Sensor (CI-6538) Linear Motion Accessory (CI-6688) Soportes varios

Estudiantes: a) Multímetros (2) 5. Procedimiento: Para el imán permanente: a) En el computador ejecute el data estudio. b) En el computador abra el archivo denominado: 78a_27 medición campo.ds c) Realice el montaje mostrado en la Imagen 1:

Imagen 1 d) Coloque el sensor de campo magnético al final del accesorio de movimiento lineal. e) Coloque el imán permanente cerca del sensor de campo magnético. f) Desplace el sensor de campo magnético al comienzo del accesorio de movimiento lineal y encere el sensor. g) Coloque el sensor de campo magnético al final del accesorio de movimiento lineal.

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h) En el data estudio ejecute start. i) Desplace el sensor de campo magnético desde el final hacia el comienzo. j) Capture la gráfica mostrada en pantalla Para la bobina (Corriente de 2 amperios): k) En el computador ejecute el data estudio. l) En el computador abra el archivo denominado: 78a_27 medición campo.ds m) Realice el montaje mostrado en la imagen 1, reemplazando el imán permanente por la bobina, de manera que el accesorio de movimiento lineal quede en el eje de la bobina, pero fuera de esta. n) Energice la bobina con una tensión de corriente continua que produzca una corriente de 2 amperios. o) Coloque el sensor de campo magnético al final del accesorio de movimiento lineal. p) Coloque la bobina cerca del sensor de campo magnético. q) Desplace el sensor de campo magnético al comienzo del accesorio de movimiento lineal y encere el sensor. r) Coloque el sensor de campo magnético al final del accesorio de movimiento lineal. s) En el data estudio ejecute start. t) Desplace el sensor de campo magnético desde el final hacia el comienzo. u) Capture la gráfica mostrada en pantalla Para la bobina (Corriente de 4 amperios): v) En el computador ejecute el data estudio. w) En el computador abra el archivo denominado: 78a_27 medición campo.ds x) Realice el montaje mostrado en la imagen 1, reemplazando el imán permanente por la bobina, de manera que el accesorio de movimiento lineal quede en el eje de la bobina, pero fuera de esta. y) Energice la bobina con una tensión de corriente continua que produzca una corriente de 4 amperios. z) Coloque el sensor de campo magnético al final del accesorio de movimiento lineal. aa) Coloque la bobina cerca del sensor de campo magnético. ab) Desplace el sensor de campo magnético al comienzo del accesorio de movimiento lineal y encere el sensor. ac) Coloque el sensor de campo magnético al final del accesorio de movimiento lineal. ad) En el data estudio ejecute start. ae) Desplace el sensor de campo magnético desde el final hacia el comienzo. af) Capture la gráfica mostrada en pantalla 6. Análisis de Resultados a) De acuerdo a la gráfica obtenida en el literal (j) del numeral 5, desarrolle un ajuste de la misma y demuestre que esta se comporta de acuerdo a la siguiente expresión:

B=

A +C d2

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Al tomar la expresión dada y consideramos A y C como una constante y graficamos el cambio que experimenta B en función de la distancia tenemos la siguiente gráfica:

Mientras que en el la práctica, a través de los sensores y el sistema Pasco obtuvimos la siguiente gráfica:

Comparando

las gráficas

se

puede

apreciar

que

poseen

el

mismo

comportamiento, la única diferencia entre ellas es que las distancias están tomadas de forma invertida, pero el comportamiento de la fuerza magnética es la misma en función de la distancia. b) Analice el comportamiento del literal (a) de acuerdo con lo que establece la teoría.

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c) De acuerdo a la gráfica obtenida en el literal (u) del numeral 5, desarrolle un ajuste de la misma y demuestre que esta se comporta de acuerdo a la siguiente expresión:

B=

μoNI a2 2

3 2 2

2 ( x +a )

De acuerdo a la geometría mostrada en la Figura 1:

Figura 1

Al tomar la expresión dada se tiene que la única variable es x, la cual es la distancia y las demás son consideradas como constantes y procedemos a graficar el cambio que experimenta B en función de la distancia tenemos la siguiente gráfica:

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d) Analice el comportamiento del literal (c) de acuerdo con lo que establece la teoría. e) De acuerdo a las grafica obtenida en los literales (u) y (ff) del numeral 5, compare su comportamiento f)

Analice lo obtenido en el literal (e) de acuerdo con lo que establece la teoría.

7. Conclusiones Generales (en función de los objetivos y los resultados obtenidos) La fuerza o intensidad del campo de una bobina depende de factores como: el número de vueltas del conductor, el tipo de material del núcleo, la relación entre la longitud de la bobina y su anchura y la cantidad de corriente que circula por la bobina Cuando conocemos

la dirección en que circula la corriente, la polaridad del

campo magnético se puede determinar mediante la regla de la mano izquierda para bobinas. Si se toma la bobina con la mano izquierda y los dedos que la envuelven señalan la dirección del flujo de corriente, el pulgar apunta hacia el polo norte. 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. Si usamos una bobina con mayor número de espiras se aumenta el número de líneas de fuerza y por tanto aumenta la corriente que circula por el cable de la bobina, así como se incrementa la fuerza del campo magnético.

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El campo magnético aumenta a medida que la corriente que atraviesa un conductor aumenta. Otra forma de incrementar el campo magnético es introduciendo un núcleo de un material que ayude a la producción de un campo magnético.

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