P16. Fuerza Magnética Sobre UNA Corriente Eléctrica. Balanza DE Corrientes PDF

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Teoría de las prácticas de laboratorio de la asignatura....

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Práctica 16. FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UNA CORRIENTE ELÉCTRICA. BALANZA DE CORRIENTES OBJETO: Estudiar la fuerza que un campo magnético ejerce sobre un conductor rectilíneo por el que circula una corriente eléctrica. Utilizar la balanza de corrientes para la medida de campos magnéticos.

MATERIAL: Balanza de corrientes. Fuente de alimentación de corriente continua. Amperímetro. Reóstato. Imanes.



FUNDAMENTO TEÓRICO: Una carga q quese mueve con velocidad v en una región

en la que existe un campo magnético de inducción B , está sometida a una fuerza dada por la ley de Lorentz:    F = q vB (1)

Una corriente eléctrica es un movimiento ordenado de cargas a través de un medio conductor y, por tanto, en presencia de un campo magnético, dicho conductor estará sometido a una fuerza. Si en el conductor hay n partículas móviles de carga q por unidad de volumen,  moviéndose con velocidad v , en presencia de un campo magnético B estará sometido a una fuerza por unidad de volumen:       F (2) f = = n q v B  j B V  donde j es la densidad de corriente en el conductor, cuyo flujo a través de una superficie S mide la intensidad I que atraviesa esa superficie:   (3) I =  j  ds S

La fuerza sobre un volumen V de conductor es entonces:    F =  j  B dV

(4)

V

y, en el caso de un conductor filiforme y rectilíneo de longitud L por el que circula una corriente de intensidad I, vale:    F = I L et  B (5)  donde et es un vector unitario en la dirección del conductor y sentido de la corriente. El conductor está sometido, por tanto, a una fuerza perpendicular a él y al campo magnético aplicado y proporcional a su longitud y a la intensidad de la corriente que lo atraviesa. Para estudiar las características de esta fuerza magnética sobre un conductor recorrido por una corriente utilizaremos la denominada “balanza de corrientes” que se muestra en la figura 1.

(Debe tener en cuenta que la balanza utilizada indica valores equivalentes de “masa” por lo que para obtener los valores de la fuerza debe multiplicar por g la lectura de la balanza).

MÉTODO OPERATORIO: Dependencia de la fuerza magnética con la longitud del conductor y con la intensidad de la corriente. 1. Conecte el conductor de longitud L = 1,2 cm en la unidad de ensamblaje (u.e.) y ésta, a su vez, a la fuente de alimentación y al amperímetro así como a la resistencia variable, tal como se indica en la figura 2, de manera que puede variar la intensidad de la corriente a través del circuito con sólo mover el cursor del reóstato. 2. Coloque el conjunto de imanes, todos orientados hacia el mismo polo magnético, sobre la balanza, de forma que el conductor problema quede paralelo a los polos magnéticos. Active la balanza y ajuste el cero pulsando la tecla “RE-ZERO”.

ue

A

VVV

Fig. 2

3. Conecte la fuente de alimentación y, moviendo el cursor del reóstato, fije un valor de la intensidad de 0,5 A. Lea la indicación m de la balanza y anote el valor correspondiente a la fuerza (F = m g) para esa intensidad. 4. Repita la operación para otros valores de la intensidad (1,0; 1,5; 2,0; 2,5 y 3,0 A) y anote en la tabla 1 los valores de la fuerza F obtenidos para cada una de estas intensidades. 5. Repita los puntos 1 a 4 para cada uno de los restantes conductores (de longitudes: 2,2; 3,2; 4,2; 6,4 y 8,4 cm) y anote los correspondientes valores en la tabla 1. 6. Utilizando los resultados anotados en la tabla 1, represente gráficamente los valores de F en ordenadas y los de I en abscisas, para cada uno de los conductores utilizados. 7. Calcule el valor de la pendiente m1 de cada una de las rectas de regresión y anote los resultados en la tabla 2. 8. Construya otras gráficas representando, para cada valor de I, los valores de F para conductores de diferente longitud en ordenadas y los de sus longitudes en abscisas. 9. Calcule la pendiente m2 de cada una de estas rectas y anote los valores obtenidos en la tabla 3. 10. Por último, construya dos nuevas gráficas: en una de ellas, represente los valores de m1 en ordenadas y los de L en abscisas y, en la otra, represente los valores de m2 en ordenadas y los de I en abscisas. Los valores de las pendientes de las rectas de regresión de ambas gráficas deben de ser iguales y corresponden al valor del campo magnético aplicado B. Dependencia de la fuerza con el campo magnético aplicado. Para no alargar excesivamente el desarrollo de la práctica, se utilizará sólo uno de los conductores de longitud intermedia (de 4,2 cm, por ejemplo) y un valor de la intensidad de corriente (2,0 A, por ejemplo).

11. Mida la fuerza F correspondiente a distintos valores del campo magnético B, que puede conseguir modificando convenientemente el número de piezas de imán. Anote los valores obtenidos en la tabla 4. (El profesor le indicará la forma de modificar el campo magnético). 12. Utilizando el valor del campo magnético obtenido en el apartado anterior, construya una gráfica representando los valores de la fuerza en ordenadas y los del campo en abscisas. ¿Qué valor debería tener la pendiente m3 de la recta de regresión?

RESULTADOS: Dependencia de la fuerza magnética con la longitud del conductor y con la intensidad de la corriente. Tabla 1

I (A)

L = 1,2 cm

L = 2,2 cm

m (g) L = 3,2 cm

L = 4,2 cm

L = 6,4 cm

L = 8,4 cm

4,2

6,4

8,4

2,0

2,5

3,0

5B/6

B

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Tabla 2 L (cm)

1,2

2,2

3,2

m1 B= Tabla 3 I(A)

0,5

1,0

1,5

m2 B= Dependencia de la fuerza con el campo magnético aplicado. Tabla 4 B/6

B/3

B/2

m (g) m3 =

2B/3

OBSERVACIONES:

CUESTIONES: 1. Explique cómo podría utilizar la balanza de corrientes para medir la intensidad de la corriente a través de un circuito si no dispone de un amperímetro. 2. ¿Qué cambio cabría esperar en un muelle por el que se hace pasar una corriente de gran intensidad?...