Electromagnetismo e Inducción Magnética

Laboratorio de Electricidad y Magnetismo

Profesor: Miguel Saavedra Horario: 12-2 p.m.

2014

Facultad de Ingeniería de Sistemas e

Informática- UNMSM

1

ELECTROMAGNETISMO E INDUCCIÓN MAGNÉTICA

La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados, pues la corriente eléctrica manifiesta un efecto magnético.

El electromagnetismo abarca los fenómenos físicos que tienen que ver con el efecto de las cargas y corrientes eléctricas, y las fuerzas que resultan de estos fenómenos.

En 1819, el físico y químico danés Hans Christian Oersted (1777 a 1851) descubrió que una aguja imantada se desvía por la corriente que circula a través de un alambre, con lo que fundó el electromagnetismo.

En los años siguientes, aproximadamente a partir de 1822, el físico y químico británico Michael

Faraday se ocupó del estudio del efecto contrario, es decir, la conversión del magnetismo en electricidad. En 1831 pudo demostrar las primeras pruebas, publicando sus trabajos bajo el concepto de "inducción electromagnética", trabajo que lo hizo famoso.

Campo magnético alrededor de un conductor eléctrico

Todo conductor eléctrico por el que circula una corriente genera un campo magnético. Dicho campo se origina debido a que los portadores de carga (electrones) se mueven dentro del conductor. La siguiente animación muestra el campo magnético generado por un conductor por el que fluye una corriente:

Un conductor por el que circula corriente está rodeado por líneas de campo concéntricas. Para determinar el sentido de las líneas de campo se puede aplicar la llamada "regla del tornillo":

Las líneas del campo magnético rodean el conductor por el que circula corriente en la misma dirección en la que habría que girar un tornillo (de rosca derecha) para apretarlo en el sentido técnico del flujo de la corriente.

1. Experimento: Campo magnético de un conductor 1

Con una brújula se verificará el campo magnético de un conductor por el que circula corriente.

Monte el siguiente arreglo experimental:

Tenga cuidado de que todos los demás conductores por los que circule corriente estén suficientemente alejados de la aguja magnética.

También el imán debe estar alejado por los menos 50 cm de la brújula.

2

Anote la posición de la aguja magnética, la cual se ve determinada básicamente por el campo magnético terrestre.

En la animación, pulse el botón STEP2 y complete la última conexión como se indica. De este modo, por el conductor circulará una corriente de aprox. 1 A.

¿Cómo se comporta la aguja imantada cunado se cierra el circuito eléctrico?

La aguja se mueve hacia la dirección aproximada de las líneas de campo concéntricas al conductor

¿Qué sucede cuando la aguja de la brújula no se coloca debajo sino por encima del cable por el que circula la corriente?

La aguja se desplaza claramente hacia la otra dirección.

2. Experimento: Campo magnético de un conductor 2

Se averiguará si es mayor el campo magnético de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente. Además, se analizará si la polaridad de la corriente ejerce alguna influencia.

Modifique el arreglo anterior como se muestra a continuación:

Tenga cuidado de que todos los demás conductores se encuentren suficientemente alejados de la aguja magnética.

También los imanes deben estar alejados de la brújula a una distancia mínima de 50 cm.

Juzgue la intensidad del campo magnético en el interior de un bucle conductor, comparada con la intensidad del campo en un conductor, si por ambos circula la corriente:

a. En el caso del bucle conductor la deflexión de la aguja es la más fuerteb. El campo magnético del conductor sin bucle es la más débil

Permute los terminales del bucle conductor en la alimentación de corriente. Así se modifica la polaridad de la corriente. ¿Qué efecto ejerce este cambio sobre el campo magnético?

El campo magnético al interior del bucle conductor cambia de polaridad

3

3. Campo magnético de una bobina

En muchos equipos eléctricos y electrónicos se utilizan componentes que constan de conductores eléctricos arrollados. Estos arrollamientos se conocen como bobinas.

Como todo conductor por el circula la corriente, las bobinas con corriente también presentan un campo magnético:

4. Verificación del campo magnético de una bobina

Con una brújula se analizará una bobina mientras por ella circula una corriente al igual que cuando no se aplica ninguna corriente. En este caso, se determinarán ciertas propiedades magnéticas y la forma de las líneas de campo.

Monte el siguiente arreglo experimental:

Retire la brújula de su soporte y acérquela lentamente a la bobina.

Observe la orientación de la aguja de la brújula.

Complemente el arreglo experimental. La animación STEP2 muestra la manera de hacerlo.

Mueva de nuevo la brújula alrededor de la bobina por la que ahora circula corriente. Observe la dirección de la corriente.

¿Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina sin corriente?

La aguja magnética mantiene la dirección de norte a sur

4

¿Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina por la que circula corriente?

La aguja cambia de orientación cada vez que se la coloca en una nueva posición sobre la bobina

Observe el comportamiento de la aguja de la brújula en diferentes posiciones con respecto a la bobina por la que circula corriente. Por favor, ordene las siguientes afirmaciones:

La aguja de la brújula se orienta en sentido paralelo a las líneas

Las líneas de campo describen un arco del polo norte al polo sur de la bobina

Materia en el campo magnético

Intensidad de campo H y densidad de flujo B

Todas las corrientes eléctricas están rodeadas por campos magnéticos. Aquí se diferencia entre dos magnitudes:

La intensidad de campo H, conocida también como excitación magnética, se genera únicamente con corriente eléctrica verdadera (esto es, mensurable con el amperímetro). Caracteriza el origen del campo magnético.

La densidad de flujo B es responsable de la inducción, de la fuerza de Lorenz al igual que de la atracción y repulsión de los imanes (permanentes). Por esta razón, caracteriza el efecto del campo magnético.

La materia en el campo magnético

Si una bobina se encuentra en el vacío (o lo suficientemente cercana al campo magnético, en la atmósfera), es válido lo siguiente:

B = u0 · H

Se puede comprobar con facilidad que, con igual corriente I (y, por tanto, con igual intensidad de campo H), la densidad de flujo magnético B varía si se introduce materia en el interior de una bobina.

Constante de campo magnético U0 = 4u · 10-7 Vs/Am

Unidad SI de la intensidad de campo H A/m

Unidad SI de la densidad de flujo magnético B T (Tesla) = Vs/m2

5

Para la descripción de este fenómeno, dependiente de la materia, se introdujo la constante de permeabilidad magnética relativa r:

Ur = B (materia) / B (vacío)

De acuerdo con la permeabilidad magnética relativa, los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales:

Diamagnéticos: Ur < 1

Paramagnéticos: Ur > 1

Ferromagnéticos: Ur >> 1

En los dos primeros grupos, r se aleja de 1 de forma poco significativa. En el caso de los ferro magnetos, se da el caso contrario puesto que r puede alcanzar valores 100.000 veces mayores.

Bobina con núcleo de hierroSi se coloca un núcleo de hierro dentro de una bobina, aquél se verá magnetizado por ésta. Así se produce un electroimán:

El campo magnético resultante es mucho más fuerte que el de la bobina sin núcleo de hierro.

5. Efecto del núcleo de hierro

Con una brújula se analizará una bobina con núcleo de hierro, por la que circula corriente. Se compararán las propiedades magnéticas de la bobina con y sin núcleo de hierro.

Monte el siguiente arreglo experimental:

6

¿Qué puede afirmar acerca del comportamiento de la brújula frente a una bobina con núcleo de hierro si se realiza una comparación con lo que sucede cuando el núcleo se encuentra ausente?

La aguja se desvía más fuertemente, pues el campo magnético se refuerza con el núcleo de hierro y las líneas de campos salen por los polos.

Existen innumerables posibilidades de aplicación para el magnetismo y el electromagnetismo.

Un ejemplo sencillo, en el caso de los electroimanes, lo constituye una grúa para chatarra de hierro. El imán se puede activar y desactivar, lo cual permite elevar el hierro para dejarlo caer después.

Efecto dinámico magnético

Se verificará si una fuerza actúa sobre un imán que se introduce en una bobina.

Monte el siguiente arreglo experimental:

7

Introduzca y saque repetidamente el imán del devanado de la bobina con corriente. ¿Qué se siente?

Dependiendo de la polaridad del imán permanente, éste es empujado al interior de la bobina o expelido del mismo. Se siente la presencia de fuerzas

HISTÉRESIS

En los materiales ferromagnéticos no existe una relación lineal entre la densidad de flujo magnético B y la intensidad del campo magnético H. En la animación, se muestra la curva de magnetización.

Si la intensidad de campo H actúa sobre un material ferromagnético, la primera vez, éste se comporta de una manera distinta que durante magnetizaciones posteriores. Pulse el botón 1 y podrá observar la nueva curva de magnetización:

La intensidad de campo y la densidad de flujo empiezan en cero

La densidad de flujo B crece en una nueva curva

8

Si la intensidad de campo H asciende, se produce una saturación de la densidad magnética B

Pulse el botón 2 para observar lo que ocurre si la intensidad de campo disminuye:

Después de que la intensidad de campo H disminuye a cero, sigue presente un magnetismo residual (remanencia).

El material ferromagnético es ahora un imán permanente

Pulse el botón 3 para observar la manera en que la densidad de flujo B puede llegar a cero:

Para hacer desaparecer la densidad de flujo B, se necesita la presencia del campo coercitivo de sentido inverso.

Pulse el botón 4 para observar el bucle completo de histéresis:

La oscilación de la intensidad de campo H conduce a una siempre nueva des magnetización del material ferromagnético

Ya no se llega a la nueva curva. En lugar de ello, el flujo B permanece en el bucle de histéresis

Materiales de magnetismo fuerte y débil

La capacidad de mantener un magnetismo residual elevado o pequeño, es una propiedad de los materiales que permite diferenciarlos entre:

Magnéticamente fuertes y magnéticamente débiles

9

Pulse el botón 1 para observar las propiedades de un material magnéticamente débil:

Una vez que se desconecta el campo magnético, permanece una pequeña remanencia (magnetismo residual)

Pequeña intensidad de campo coercitivo, esto es, se necesita una pequeña intensidad de campo con polaridad contraria para eliminar el magnetismo residual.

Pulse el botón 2 para observar las propiedades de un material magnéticamente fuerte:

Una vez que se desconecta el campo magnético, permanece una elevada remanencia (magnetismo residual)

Elevada intensidad de campo coercitivo, esto es, se necesita una gran intensidad de campo con polaridad contraria para eliminar el magnetismo residual.

6. Experimento de remanencia

Se someterá un núcleo de hierro a la influencia de un campo magnético y, a continuación, se verificará su campo magnético residual. Luego se repetirá el experimento con la polaridad invertida.

Monte el siguiente arreglo experimental:

Con un marcador, o con material adhesivo rojo, marque un lado del núcleo de hierro.

Inserte y retire repetidamente el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. El punto rojo se dirige hacia abajo.

Saque el núcleo de hierro y analícelo con la aguja imantada.

Principio del formulario

A. ¿Conserva el núcleo de hierro propiedades magnéticas después de que el campo ha actuado sobre él?

El núcleo de hierro desvía ostensiblemente la aguja imantada; por tanto, posee un campo magnético.

B. ¿Cuál polo queda en el extremo marcado con el punto rojo?

El polo sur, puesto que el extremo azul de la aguja de la brújula se ve atraído.

10

Repita el experimento e introduzca y retire varias veces el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. Esta vez, el punto rojo se debe dirigir hacia arriba. Retire el núcleo y vuela a analizarlo con la aguja magnética.

C. ¿Cuál polo queda ahora en el extremo marcado con el punto rojo?

El polo norte, puesto que el extremo plateado de la aguja de la brújula se ve atraído.

FUERZA DE LORENZ

Si un conductor por el que circula corriente se coloca dentro de otro campo magnético, se producirá una interacción entre ambos campos.

Regla de la mano derecha

Un método sencillo para determinar el sentido de la fuerza de Lorenz es la llamada regla de la mano derecha.

Las magnitudes velocidad v de los electrones (contraria al sentido técnico de la corriente) inducción magnética B del campo magnético exterior fuerza F (fuerza de Lorenz) son perpendiculares entre sí. Si se conoce el sentido de dos de ellas, con la regla de la mano derecha se puede determinar el sentido de la tercera magnitud.

Inducción

En la electrotecnia se conoce como inducción a la generación de energía eléctrica en un conductor (alambre) debido a un campo magnético variable.

La inducción tiene una gran importancia técnica en la producción de corriente con generadores y en los transformadores.

Ley de la inducción

11

Los procesos físicos relativos a este fenómeno se describen mediante la ley de la inducción.Una variación del flujo en el tiempo dF/dt induce en un bucle conductor, que abarca la superficie A, la tensión de inducción

Si el conductor es una bobina con n vueltas, las tensiones parciales inducidas en cada arrollamiento se suman para conformar la tensión total

7. Experimento 1 de inducción

En una bobina sin núcleo se generará una tensión con el movimiento de un imán permanente. Dicha tensión se medirá con un voltímetro.

Monte el siguiente arreglo experimental:

Abra el instrumento virtual voltímetro A del menú de instrumentos de medición o pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes ajustes:

Rango: 0,5 V, DC

Display análogo

Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)

Ha conectado la bobina a un voltímetro. Introduzca y retire varias veces el imán permanente del devanado de la bobina. ¿Qué se puede observar en el voltímetro?

¡Correcto!

12

El voltímetro indica tanto tensión positiva, como negativa, según el sentido del movimiento

Cuanto más rápido sea el movimiento, mayor será la amplitud de la tensión

8. Experimento 2 de inducción

Se variará el campo magnético sin realizar ningún movimiento, encendiendo y apagando la corriente en una "bobina de campo". Se observará la tensión inducida en una segunda bobina y se medirá esta tensión con un voltímetro.

Monte el siguiente arreglo experimental.

Abra el instrumento virtual voltímetro A en el menú de instrumentos de medición o pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes ajustes:

Rango: 0,5 V, DC

Display análogo

Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)

Dos bobinas se encuentran arrolladas alrededor del núcleo de hierro. La bobina 1 está conectada al voltímetro. En la bobina 2 se conecta y desconecta una corriente. ¿Qué se puede observar en el voltímetro?

El voltímetro indica tanto tensión negativa como positiva, dependiendo del estado de conexión

13

CONCLUSIONES

No se puede determinar la dirección del campo magnético terrestre a través de la brújula. Por las alteraciones que pueda tener esta o la alteración de cuerpos cargados.

El plano vertical que contiene a Ht (meridiano magnético) no coincide en general con el meridiano geográfico.