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MIGUEL ZAMNBRANO 702215, EDILSON PACHON 702212, OSCAR GUALTEROS 702238.UNUIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA. [email protected], [email protected], [email protected]. I. RESUMEN:En esta práctica de laboratorio se comprobará experimentalmente una de las aplicaciones de la Ley de...

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LEY DE FARADAY. MIGUEL ZAMNBRANO 702215, EDILSON PACHON 702212, OSCAR GUALTEROS 702238. UNUIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA. [email protected], [email protected], [email protected].

I.

RESUMEN:

II.

INTRODUCCIÓN

indicando la existencia de corriente eléctrica y por ende de una fuerza electromotriz en el circuito espiraEn esta práctica de laboratorio se comprobará galvanómetro Si el imán se mantiene estacionario y la experimentalmente una de las aplicaciones de la Ley de espira se mueve ya sea hacia o alejándose del imán, la Faraday como lo es un transformador el cual tiene dos aguja también se desviara. circuitos compuesto por un primario y secundario separados por un núcleo de hierro debido a su alta permeabilidad magnética que permite que prácticamente todas las líneas del campo magnético del primario atraviesen el secundario teniendo en cuenta que en el circuito primario se introduce una corriente alterna que crea un campo magnético variable y se genera en el primario una tensión V1 proporcional al número de espiras N1. Si suponemos que todo el flujo magnético que pasa por el primario lo hace por el secundario, se crea en éste una tensión inducida V2 proporcional al número de espiras del circuito secundario (N2). Usando como secundario y primario bobinas de distinto número de espiras para luego hacer mediciones de voltaje el cual se variará conforme a reóstato (resistencia variable) y la intensidad de cada bobina por lo que se realizará registro de valores experimentales. Ilustración 1

En la ilustración 1. Si las espiras se colocan una cerca de El principio de inducción electromagnética es lo que la otra, pero en reposo la una con respecto de la otra. hace que los transformadores trabajen. Cuando una corriente atraviesa un alambre, crea un campo magnético alrededor del alambre. De la misma manera, si un alambre está en un campo magnético que está cambiando, fluirá una corriente por el alambre. En un transformador, un conductor lleva corriente a un lado. Esa corriente crea un campo magnético, que a cambio produce una corriente en el conductor al otro lado del transformador. La segunda corriente fluye fuera del transformador. III.

MARCO TEÓRICO

Si se conecta un galvanómetro o un amperímetro con una espira como lo muestra la Figura (1). Si se mueve un imán de un lado a otro por el eje de la espira usted observo que mientras el imán se mantiene fijo nada sucede, pero cuando está en movimiento el imán, la aguja del galvanómetro se desvía de un lugar a otro,

Ilustración 2

Faraday mostró que si arrollan dos bobinas alrededor de un núcleo de hierro, si por una de ellas (el “primario”)

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espiras que forman una bobina y a la rapidez con que se producen los cambios. Antes de calcular el valor experimental introduciremos el concepto de flujo magnético de las observaciones es claro que cualquier cambio del entorno magnético en que se encuentra una bobina de cable, originará un "voltaje" (una fem inducida en la bobina). No importa cómo se produzca el cambio, el voltaje será generado en la bobina. El cambio se puede El experimento muestra que existe una frecuencia producir por un cambio en la intensidad del campo inducida en la espira izquierda de la Figura (3) siempre magnético, el movimiento de un imán entrando y que la corriente de la derecha este cambiando. Lo que es saliendo del interior de la bobina, moviendo la bobina significativo aquí es la velocidad a la que cambia la hacia dentro o hacia fuera de un campo magnético, girando la bobina dentro de un campo magnético, etc. La corriente y no a la intensidad de la corriente. ley de Faraday es una relación fundamental basada en las ecuaciones de Maxwell... Sirve como un sumario abreviado de las formas en que se puede generar un voltaje (o fem), por medio del cambio del entorno magnético. La fem inducida en una bobina es igual al negativo de la tasa de cambio del Flujo magnético multiplicado por el número de vueltas (espiras) de la bobina. Implica la interacción de la carga con el campo Igual sucede se invierte la corriente magnético. circula una corriente continua, en la otra (el “secundario”) no hay corriente alguna. Sin embargo, justo tras el cierre del interruptor, cuando la corriente del primario cambia en el tiempo, se induce una corriente en el secundario. Asimismo, tras la apertura del interruptor también aparece una corriente en el secundario, pero de sentido contrario a la anterior.

Flujo Magnético

Ilustración 3

El flujo magnético es el producto del campo magnético medio, multiplicado por el área perpendicular que atraviesa. Es una cantidad de conveniencia que se toma en el establecimiento de la ley de Faraday y en el estudio de objetos como los transformadores y los solonoides.

La característica común de estos dos experimentos es el movimiento o cambio. La causa de las fem inducidas es el imán en movimiento o la corriente cambiante. En otras pruebas diferentes se muestran las propiedades importantes de la inducción. Si se repite el experimento con el mismo imán de la ilustración 1 pero con una espira de área transversal mayor se produce una fem mayor; por lo tanto la fem inducida en la espira es proporcional a su área. ES muy importante tener presente no es el cambio del campo magnético lo importante, sino el cambio en su flujo a través del área de la espira. Los experimentos demuestran que la lectura del galvanómetro es también proporcional a la cantidad de

La ley de Faraday establece que la magnitud de la fuerza electromotriz (fem) inducida en un circuito es igual a la razón de cambio del flujo magnético a través del circuito. Matemáticamente se escribe:

Es decir, la fem es inducida en un circuito cuando el flujo

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magnético a través de un circuito varía en el tiempo. En la ecuación (1) m se le llama flujo magnético. El signo menos representa la oposición que existe en los campos inducidos por el fuljo magnético y la fuerza electromotriz. El flujo magnético viene dado por la siguiente expresión:

1. Generador. 2. Cables de conexión. 3. Bobinas. 4. Multímetro

PROCEDIMIENTO.

En la práctica experimental se utilizará una bobina, la cual es un arrollamiento de alambre

1. Identifique y registre en la tabla No 1 el número de vueltas que tiene cada embobinado (N1 y N2) y el cociente N1 / N2. 2. Conecte en serie la fuente de voltaje, el reóstato y el primer embobinado o “primario”. A través del núcleo metálico conecte la segunda bobina o “secundario” y esta a su vez conecte la resistencia.

La fem se induce por el movimiento de un simple alambre dentro de un campo magnético. Este procedimiento se expresa así:

3. Mida el voltaje y la corriente en al primario (V1, I1) y en el secundario (V2, I2). 4. Cambie el voltaje en el primario graduando el reóstato (resistencia variable) y repita las medidas. 5. Reporte estos datos en la tabla No 2 reporte también las incertidumbres.

Donde w la velocidad angular, A el área, B el campo 6. Grafique en papel milimetrado I2 vs. I1 y V2 vs. V1. magnético y n el número de vueltas de la bobina, donde la velocidad angular se expresa:

La frecuencia de la energía utilizando corriente alterna, tiene una frecuencia de 60 Hz. Para los t transformadores encontramos la siguiente relación:

No olvide que las fem inducidas son las mismas. IV. Materiales:

MONTAJE EXPERIMENTAL

7. Halle las ecuaciones de cada recta, de modo que a partir de cada una de ellas encuentre el cociente N1 /N2 y compare con el cociente de la primera tabla de datos. Nota: Para un transformador si la potencia es del 100% se cumple la expresión siguiente: I1V1 = I2 V2 (7)

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Montaje experimental, equivalente a un transformador.

V.

V1 60 50 40 30 20 10 0

RESULTADOS

TABLA 1.

=1

8

V2 + , 8 67

10

12

9, 2

14

16

18

20

22

24

Ecuación de la recta

N1

N2

N1/N2

800

400

800/400 = 2 V1= 1,867V2 + 9,2

Tabla 1: Numero de vueltas de cada bobina y su cociente

V2 (V) V ± 0.01 V 9V

mA 76,3

mA 14 V

mA 36V

85,3

40 V

95,5

15 V

11,9

17 V

13,5

108,4

mA 19 V

mA 51 V

120,1

mA

2−1,867 ∗100 % ± 6,65 % 2

GRAFICA I1 VS I2

mA

mA 46 V

Error=

11,2

mA

mA

N 1 800 Vp =m=1,867 =2 = Vs N 2 400

13,9

mA 22 V

14,7

mA

I1 0.14

�. ���

33,7V

I2 (A) A ± 0.1 A 9,7

0.12 0.1

−

I1 (A) A ± 0.1 A 64,5

0.08

,� ��

V1 V ± 0.01 V 27,7 V

En esta recta podemos comparar el valor de la pendiente con la relación que tienen la bobina primaria y secundaria es de 2.

��

0.06

Tabla 2: Voltaje e intensidad de cada bobina GRAFICA V2 VS V1.

=

0.04 0.02 0 0.01

0.01

0.01

0.01

0.01

Ecuacion de la recta.

i1=10,7i 2−0.042 P1=V1*I1=watt s 1,78665 2,5713 3,0708

P2=V2*I2=watt s 0,0873 0,1568 0,1785

0.01

0.02

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3,82 4,9864 6,1251 Tabla 3:

0,2295 0,2641 0,3234

Si relacionamos los valores de la pendiente de las intensidades podemos afirmar que la potencia del circuito experimental no es del 100% ya que no son iguales ANALISIS DE RESULTADOS. ¿Qué importancia tiene la Ley de Faraday en el estudio del transformador? Un transformador hace uso de la ley de Faraday y de las propiedades ferromagnéticas de un núcleo de hierro para subir o bajar eficientemente el voltaje de corriente alterna (AC). Por supuesto no puede incrementar la potencia de modo que, si se incrementa el voltaje, la corriente es proporcionalmente reducida, y viceversa

Se llama inducción mutua a dos embobinados separados eléctricamente, las cuales están separadas eléctricamente, pero están unidas por un mismo campo magnético, el embobinado primario es el que recibe el voltaje y el secundario es en el cual se induce ducho voltaje, la autoinducción es una influencia que ejerce un sistema físico sobre sí mismo a través de campos magnéticos variables. La gran diferencia que existe entre ambos es que la inducción mutua es la que induce una FEM “FUERZA ELECTROMOTRIZ” de un circuito a otro, y la autoinducción es la inducción de la corriente sobre sí misma. Entre amas constituyen el fundamento del trasformador eléctrico el cual sirve para aumentar o disminuir la tensión eléctrica. ¿Porque se usa el núcleo de transformadores?

hierro en los

El núcleo se construye de hierro porque tiene una gran permeabilidad, o sea, conduce muy bien el flujo magnético. Sirve como interface entre las corrientes que El transformador Se compone de un núcleo de hierro pasan entre los cables del primario y secundario, genera sobre el cual se han enrollado varias espiras (vueltas) de una interacción entre los flujos magnéticos, amplificando alambre conductor. Este conjunto de vueltas se llaman el campo que es generado por la corriente que pasa por el bobinas y se denominan: alambre, induciendo un flujo magnético y por ende corriente en el otro alambre. • Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada donde

V P =fem=−N P A

∆B ∆t

Y

¿Porque por lo general se laminan?

así recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, Se laminas para evitar que Circulen intensidades parasitas dentro del núcleo, lo cual sucedería si el núcleo una corriente alterna. Esta corriente inducirá un flujo fuese un bloque de hierro compacto que por causa de las magnético en el núcleo de hierro. intensidades parasitas lo recalentarían haciendo que este • Bobina secundaria o "secundario" a aquella que no funcione de forma correcta o dañe su embobinado. entrega el voltaje transformado donde El núcleo está compuesto por laminas, sin soldar, similar a las hojas de un libro. Su función principal es mantener ∆B V s=−N s A Y así al haber un flujo magnético el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que ∆t que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el por el alambre del secundario un voltaje. En este núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por bobinado secundario habría una corriente si hay una láminas del núcleo laminado se realiza para evitar las carga conectada ya sea una resistencia, una bombilla, un corrientes de Foucault, que son corrientes que circulan entre láminas, indeseadas pues favorecen las perdidas. motor, etc. Diferencia entre inducción mutua y la auto inducción.

¿Qué perdidas ocurren en los transformadores?

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

 

VI.

Perdidas en el hierro las cuales con pérdidas por corriente Foucault que se produce en cualquier material conductor cuando se encuentra sometido a una variación del flujo magnético e histéresis se produce cuando la imantación de los materiales ferromagnéticos está perdida depende esencialmente del tipo del material en el que está compuesto los transformadores. Perdida en el cobre del embobinado. Perdida en el material aislante.

3.

4.

PREGUNTAS. 1. Cuando un cuerpo metálico ferromagnético se mueve dentro del campo magnético del imán permanente se provoca una corriente inducida en el bobinado proporcional a la amplitud de movimiento y de frecuencia igual a la de la oscilación del cuerpo. Esta corriente es muy débil, por lo que el cableado del interior de la guitarra y el que va desde ésta hasta la amplificación debe estar muy bien apantallado, para evitar ruidos parásitos. Las pastillas electromagnéticas se encuentran en diversas formas, pero normalmente dos: las single coil con un solo núcleo magnético y las humbucker con dos núcleos magnéticos y doble bobinado para eliminar ruidos. Las primeras son las más comunes, el bobinado simple da al instrumento un sonido más brillante, pero generan una descarga o ruido al ser saturada por algún efecto de distorsión El doble bobinado de las segundas permite básicamente eliminar ese ruido y la descarga que se genera con las pastillas simples, y además, un sonido más grave, grueso y nítido. 2. Nos afectan así las manchas solares debido a que somos seres que también generamos energía y tenemos un campo magnético tal cual la tienen muchos cuerpos y partículas, haciendo que seamos vulnerables a esta radiación y que los efectos del campo o tormenta magnética solar transmitida hacia la tierra tenga influencia debido a que se maneja alta tecnología el cual

5.

6.

cada uno de los dispositivos manejados en la tierra tengan lo que se habló anteriormente cargas tanto positivas como negativas el cual hace que esto afecte mucho. Como el campo magnético es uniforme la espira se queda constante en la ubicación en la que se situó, haciendo que esta no tenga ninguna dirección. El número de aplicaciones de la ley de Faraday es infinito. Prácticamente toda la tecnología eléctrica se basa en ella, ya que generadores, transformadores y motores eléctricos se basan en ella. Aquí indicamos algunas de las aplicaciones más directas. El campo magnético si afectaría la velocidad de la lámina de aluminio debido a que ella tiene un, pero y una carga establecida pero los valores positivo y negativo del electroimán harían lo necesario por atrapar la partícula que tiene una velocidad constante, afectando a esta, y haciendo que logre una velocidad final mayor que la velocidad inicial que llevaba dicha lamina, también afecta la dirección de la lámina depende las cargas positivas o negativas que esta posea. Respuestas... Dirección en momento que se cierra el interruptor.: tendrá una dirección positiva en los ejes si se ilustra la corriente, después de mucho tiempo se generará un campo magnético con respecto a la otra bobina después de esto y desconectado el interruptor cambiara el sentido de la corriente.

VII.

CONCLUSIONES

En esta práctica de laboratorio se logró obtener la ley de Faraday de inductancia de las bobinas o inductores, donde se obtuvieron registros de datos de una intensidad (amperes) producida por un campo magnético al interior de una bobina, Se obtuvo una relación en los transformadores, donde el voltaje y la intensidad variaron en la bobina secundaria al variarla en la bobina primaria. De acuerdo a la relación que existe en las bobinas al momento de la practica el voltaje y corriente,

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lo que entregaría un voltaje menor si el número de espiras es menor, y un voltaje mayor si el número de espiras es mayor. (número de espiras es similar al hablar de numero de vueltas) Se obtuvieron valores los que posteriormente fueron graficados, obteniendo asi las pendientes de las rectas, las que en el caso del gráfico voltaje primario v/s voltaje secundario, corresponde a la constante de inducción mutua. En el caso de la pendiente correspondiente al gráfico de corriente primaria vs corriente secundaria, corresponde al coeficiente de auto inductancia. REFERENCIAS

[1] SERWAY, Raymond A. y JEWETT, John W. (2005) Física I Texto basado en cálculo, 6a Ed. EditorialThomson. [2] SEARS Francis W, ZEMANSKY Mark W, YOUNG Hugo D, FREEDMAN Roger A. (2009) FísicaUniversitaria volumen II, 12ra Ed. Editorial Pearson Educación... [3]PASCO scientific.(1999), Physics Labs with Computers Student Workbook. Volumen 2 [4] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/ [5] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/ [6]http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_//elecmagnet/farad ay/fem/fem.html [7] Ley de Faraday (GIE). Encontrará prácticas de laboratorio [8] Faraday's Law [9] http://docencia.udea.edu.co/regionalizacion/irs404/contenido/capitulo10.html el ejemplo 1 [10] Video Explicación Ley de Faraday - YouTube...