Práctica número 11

Ley de inducción de Faraday

Objetivos

a) Comprobar la existencia de una fuerza electromotriz inducida por movimiento de un

imán en un solenoide.

b) Verificar la generación de fuerza electromotriz alterna senoidal causada por variación

de corriente.

c) Establecer la ley de inducción de Faraday, incluyendo el principio de Lenz.

d) Comprender el principio de operación del transformador con núcleo ferromagnético.

Equipo y materiales necesarios

1 bobina de inducción con accesorios:

una bobina con foco

anillos: cerrado y abierto

cable de alimentación de 127 [V] c.a.

núcleo ferromagnético

1 imán de barra (extremadamente frágil)

1 amperímetro de c.d.

1 autotransformador de 127 [V]

1 solenoide

2 cables cortos de conexión

1 fuente de poder de 0 a 10 [V]

Actividades

Actividad 1

Conecte las terminales del solenoide a las del amperímetro, por medio de los cables

disponibles; desplace el imán de barra introduciéndose en el núcleo del solenoide tal y

como lo muestra la figura 1a. Observe en el amperímetro el sentido de la corriente

inducida y dibuje el sentido de circulación de dicha corriente en el solenoide así como

el movimiento de la aguja en el amperímetro.

Desplace de nuevo el imán, pero ahora alejándose del solenoide, como se muestra en

la figura 1b; observe el sentido de la corriente inducida con este movimiento del imán y

dibuje el sentido de la corriente inducida en el solenoide, así como en el amperímetro el

movimiento de la aguja.

Actividad 2

Con base en la corriente inducida dibujada en el solenoide de cada figura, identifique el

polo magnético que se induce en cada extremo de cada solenoide, escribiendo N

(norte) o S (sur) dentro del círculo, según corresponda.

Actividad 3

Forme el circuito mostrado en la figura, sin energizar el autotransformador y verificando

que su perilla de salida, indique el valor mínimo.

Coloque la bobina con foco, de manera que el núcleo ferromagnético quede en el

núcleo de la bobina. Energice el autotransformador y gire su perilla para que su

diferencia de potencial de salida se vaya incrementando, hasta llegar al máximo y que

así permanezca.

Anote las observaciones de lo que ocurrió en la bobina. Éste es el principio de

operación del transformador eléctrico.

A medida que el autotransformador iba aumentado su diferencia de potencial la

intensidad luminosa del foco fue aumentando.

Actividad 4

Tome la bobina con foco y sáquela lentamente del núcleo hasta lograrlo en forma total.

¿Qué sucedió? y ¿por qué?

Conforme la bobina con foco se iba alejando del núcleo la intensidad luminosa del foco

iba disminuyendo gradualmente, esto se debe a que las líneas de campo que

“atravesaban “ a la bobina están menos concentradas debido a la distancia que existe

entre estos dispositivos, provocando así que la diferencia de potencial inducida por el

campo magnético sea menor.

Actividad 5

Disminya hasta cero la diferencia de potencial de salida del autotransformador y ahora

coloque en el núcleo el anillo cerrado. Gire la perilla del autotransformador hasta llegar

al máximo y describa lo que le sucede al anillo.

Mientras la diferencia de potencial es más marcada en el autotransformador el anillo

comienza a levitar alrededor del núcleo ferromagnético e inclusive puede salir de este

en un momento dado donde la diferencia de potencial que existe es mayor.

Actividad 6

Sostenga sobre la plataforma de la bobina de inducción el anillo cerrado unos cuantos

segundos, cinco por ejemplo. ¿Qué efecto se observó en el anillo? Describir el hecho y

explicar la causa del mismo.

Al sujetar el anillo se podía sentir la repulsión que existía entre él y la núcleo

ferromagnético, además de que el anillo elevó su temperatura.

La repulsión se debe a que los campos magnéticos asociados a cada dispositivo

presentan la misma dirección y dado que las líneas de campo nunca pueden tocarse o

cortarse se repelen entre ellas provocando ese efecto físico.

Actividad 7

Reduzca a la posición del mínimo, la perilla del autotransformador y reemplace el anillo

cerrado por el anillo abierto; incremente la diferencia de potencial de salida del

autotransformador hasta el máximo. Describa y explique lo que sucedió en el anillo

abierto.

A diferencia del anillo cerrado, este anillo no comenzó a levitar, pero su temperatura

aumentaba conforme el tiempo pasaba debido a que sÍ existía una diferencia de

potencial que se estaba aplicando al anillo, pero al no estar cerrado no se puede

establecer un flujo de carga a través de él, por lo que no existe una corriente que

circule en el anillo.

Actividad 8

Desconecte el autotransformador del contacto de la mesa y de la bobina de inducción;

aplique a ésta la diferencia de potencial del contacto de la mesa (127 [V] y 60 [Hz]). De

manera sucesiva, coloque despacio en el núcleo, la bobina con foco y retírela; sustituya

esta bobina por el anillo cerrado y, por último, haga lo mismo con el anillo abierto.

Describa lo observado en cada accesorio.

Para el caso de la bobina con foco se pudo observar que la intensidad luminosa

presentada era mayor a la que se había observado cuando se energetizó la bobina con

el autotransformador.

El anillo cerrado fue complicado introducirlo, pero enseguida de que se soltó salió

disparado fuera del núcleo.

Finalmente el anillo abierto fue sencillo de introducir y no se observaron efectos.

Actividad 9

Desconecte la bobina de inducción del contacto de la mesa y conecte la fuente de

poder de corriente directa (c.d.) aplicando a la bobina de inducción una diferencia de

potencial de 6 [V].

Verifique si existe campo magnético en el núcleo, por ejemplo con un clip o con una

moneda de 10 centavos; coloque de manera sucesiva la bobina con foco, el anillo

cerrado y el anillo abierto. Describa los resultados obtenidos, sobre todo lo referente a

la existencia, o no, de corriente inducida en estos accesorios.

El núcleo si presentaba campo magnético.

Al ser la corriente de tipo directa el efecto de encendido del foco conectado a la bobina

solo se podía observar cuando existía movimiento por parte de la bobina, es decir, la

corriente era inducida cuando había movimiento de la bobina sobre el núcleo.

Por otro lado, los anillos solo entran al campo magnético inducido a la bobina, por lo

cual son atraídos ligeramente hacia ella. No hay corriente inducida en ellos.

Cuestionario

1. ¿Qué polos magnéticos se inducen en los extremos del solenoide en la actividad 1?

¿Qué relación tienen los polos inducidos con respecto a los del imán?

El principio de Lenz afirma que: “El sentido sentido de una corriente corriente inducida

inducida debe ser tal, que se oponga a la causa que lo produce”. Con lo cual podemos

concluir que los polos en los extremos del solenoide son los mismos que los polos del

imán, es decir, los polos inducidos son tales que se necesita aplicar un trabajo

(provocando una diferencia de potencial) para poder hacer circular a los electrones.

2. De acuerdo con los hechos observados en las actividades 5 y 7 explique lo sucedido

en función de los polos magnéticos inducidos.

En la actividad 5 se puede concluir que los polos magnéticos inducidos eran los

mismos, lo cual provoca una repulsión entre ellos.

Por otro lado en la actividad 7, al no existir un flujo de cargas (corriente) se dice que no

existe un campo magnético, por lo cual no hubo interacción entre el anillo y la bobina

con el núcleo ferromagnético.

3. Respecto a la actividad 6, dibuje en el anillo cerrado y en la bobina de inducción el

sentido de la corriente en cada elemento, para un instante dado.

4. ¿En qué condiciones, en general, se puede inducir una fuerza electromotriz

(diferencia de potencial) en un conductor?

Cuando existe un movimiento relativo entre un imán y una espira, también cuando una

espira se mueve a velocidad constante dentro de un campo magnético uniforme o bien

variando el valor de la corriente.

5. De las condiciones concluídas en el punto anterior, ¿en cuáles de ellas se induce

corriente eléctrica?

Para que exista un flujo de cargas el circuito debe de ser cerrado.

Conclusiones

A través de la actividad uno se logró comprobar la existencia de una fuerza

electromotriz inducida por movimiento de un imán en un solenoide, se observó también

que para que pueda haber un flujo de electrones en un solenoide no basta con que

exista un campo magnético, además es necesario el movimiento relativo entre el

productor del campo y la espira.

A través de las actividades 3, pudimos observar la generación de fuerza electromotriz

alterna senoidal causada por variación de corriente, lo cual se logró utilizando

diferentes elementos como indicadores, pudimos observar que la intensidad del campo

inducido, es proporcional a la diferencia de potencial aplicado.

En esta práctica también se logró establecer la ley de inducción de Fraday, se observó

que 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, y se logró observar a través de los efectos que se

produjeron en diferentes situaciones: observando cómo cambia la intensidad de la

fuente luminosa, la intensidad de la fuerza de atracción y repulsión de los campos y a

través de la diferencia de temperatura de los materiales. El principio de lenz se observó

más claramente en las primeras actividades, ante al absurdo de poder obtener energía

“gratuita” (se violaría el principio de la conservación de la energía), por lo que se puede

intuir el principio de Lenz sobre el sentido de la corriente inducida.

En las últimas actividades de la práctica se logró comprender el principio de operación

del transformador con núcleo ferromagnético,el campo que produce y los efectos con

diferentes tipos de corriente e intensidades.

Comentarios

Esta actividad fue muy ilustrativa, con respecto a los conceptos que se analizan en

teoría, muchos de los experimentos parecen incluso haber salido de la ficción, sin

embargo ayuda mucho tener también los fundamentos teóricos y conceptuales que

explican los fenómenos. Los fenómenos que se observan en esta práctica son de gran

relevancia para las carreras de ingeniería en todas sus ramas, se ve por ejemplo el

principio de funcionamiento de las turbinas generadoras de energía.

Las ley de inducción de Fraday y el principio de Lenz son de gran importancia en esta

práctica, ya que permiten por una parte explicar los fenómenos, y por otra refutar

algunas teorías, como la generación de de energía gratuita, o el movimiento perpetuo.

Bibliografía

Notas de clase de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo. Profesor Rigel

Gámez Leal.

Clase introductoria de laboratorio. Profesor Jaramillo Morales Gabriel Alejandro.

http://dcb.fi-

c.unam.mx/users/franciscompr/docs/Tema%205/5.1%20a%205.3%20Induccion%20ele

ctromagnetica.pdf