Práctica 11 Lab. Electricidad y Magnetismo . Facultad de Ingeniería PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMADE MÉXICOFACULTAD DE INGENIERÍADIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICASLABORATORIO DE ELECTRICIDAD YMAGNETISMOPracticaProfesor: MI. HECTOR MORA GARCIAGrupo: 24Brigada: 02Numero de lista: no definidoIntegrantes:Morales Sánchez EduardoSámano Juárez Emilio AlbertoVargas González Carlos...

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA

DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO Practica #011

Inducción electromagnética

Profesor: MI. HECTOR MORA GARCIA Grupo: 24 Brigada: 02

Integrantes: Morales Sánchez Eduardo Sámano Juárez Emilio Alberto Vargas González Carlos Enrique

Calificación: _______ Fecha de realización: Fecha de entrega:

11 de noviembre de 2021. 18 de noviembre de 2021.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 91/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada

Objetivos de aprendizaje I.

Objetivo General: El alumno comprenderá el fenómeno de inducción electromagnética y conocerá las condiciones bajo las cuales se presenta.

II.     

Objetivos específicos:

Comprender y aplicar el concepto de flujo magnético. Demostrar que puede obtenerse una diferencia de potencial a partir de un campo magnético y deducir las condiciones bajo las cuales ocurre esto. Comprender el concepto de fuerza electromotriz (fem) inducida. Deducir la ley de inducción de Faraday y el principio de Lenz de los fenómenos observados. Explicar la ocurrencia de diversos fenómenos con base en la aplicación de la ley del punto anterior.

1. Introducción La inducción electromagnética es el fenómeno en el que se origina una diferencia de potencial inducida (o fuerza electromotriz inducida) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor en el que se forma una trayectoria cerrada, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quien lo expresó indicando que la magnitud de la diferencia de potencial inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday). Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la fem inducida genera un flujo magnético que se opone al cambio de flujo magnético externo, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo constante. Los principios de la inducción electromagnética son aplicados en muchos dispositivos y sistemas, por ejemplo: Transformador.  Horno de inducción. Inductor.   Generador eléctrico. 

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 92/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada

2. Herramientas digitales Ley de Faraday FEM Laboratorio magnetismo Transformador Simulador simbólico 3. Equipo y material en el laboratorio

Foto 1. Limadura de hierro.

Foto 2. Autotransformador (Variac).

Foto 5. Imán en forma de herradura.

Foto 6. Solenoide de 800 vueltas y núcleo recto de acero.

Foto 9. Anillo abierto.

Foto 10. Bobina con foco.

Foto 3. Micro-amperímetro de ±50 [µA] y cero central.

Foto 4. Brújula.

Foto 7. Bobina sin aislamiento.

Foto 8. Anillo cerrado.

Foto 11. Disco giratorio y plato.

Foto 12. Solenoide de 1600 espiras.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 93/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada

Foto 13. Fuente de 0-20 [V] y 0-10 [A] de cd.

Foto 17. Conector BNC con caimanes.

Foto 21. Cables banana- banana y cables caimán-banana (proporcionados por los alumnos).

Foto 14.Cables para conexión (proporcionados por los alumnos).

Foto 15. Osciloscopio de doble trazo.

Foto 18. Núcleo de hierro en forma de O.

Foto 19. Solenoide de 200 vueltas.

Foto 22. Solenoide de 400 vueltas.

Foto 16. Transformador reductor (127 [V] a 10 [V] de c.a ).

Foto 20. Punta atenuadora para osciloscopio.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 94/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada

4. Desarrollo Actividad 1 Fuerza

electromotriz inducida a partir del movimiento

Analiza y comenta con tu profesor los conceptos de diferencia de potencial inducida (con su polaridad), corriente inducida (con su sentido) y campo magnético variable, cuando se acerca o se aleja un imán. Utiliza el simulador para observar dichos conceptos. Ley de Faraday Material y equipo a. Micro-amperímetro de ±50 [µA] y cero central. b. Imán en forma de herradura.

c. Solenoide de 1600 espiras. d. Cables para conexión (proporcionados por los alumnos).

Dibuja los esquemas donde indiques el análisis de tu experimentación.

Movimiento del imán

I inducida

Diagrama 1: Cuando el imán se acerca, el flujo magnético aumenta hacia la izquierda, lo que provoca que el circuito genere una oposición al cambio, creando un campo magnético inducido hacia la derecha, en el intento de que el flujo no aumente.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 94/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada

Movimiento del imán

I inducida

Diagrama 2: Cuando el imán se aleja, el flujo magnético disminuye hacia la izquierda, lo que provoca que el circuito genere una oposición al cambio, creando un campo magnético inducido hacia la izquierda, en el intento de que el flujo no disminuya. Se aplica el principio de Lenz como lo indican cada uno de los diagramas. (“la corriente inducida y el campo magnético inducido tendrán un sentido que se oponga al cambio que los produce”) Aquí se responde la primera pregunta: ¿Por qué se mueve la aguja del voltímetro en sentido contrario? Podemos notar que al introducir el imán con el polo norte de frente como en el diagrama A la aguja del voltímetro se mueve de + a - , esto sucede básicamente por la manera en que están conectados los extremos de la espira, donde el extremo que está más cerca al polo norte del imán está conectado a la terminal negativa del foco. Esto ilustra la ley de Faraday.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 94/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada

Aquí se responde la segunda pregunta: ¿Por qué enciende más el foco con el embobinado de abajo que con el de arriba? Esto se basa en concepto simple que se conoce como inductancia, esta mide el valor de oposición de la bobina al paso de corriente, este valor depende de varios factores entre ellos el número de espiras que tenga dicha bobina, esto quiere decir que mientras más vueltas tenga nuestra bobina mayor será la inductancia, por lo tanto como el embobinado de abajo cuanta con más vueltas la inductancia es mayor por ello enciende más el foco. Conclusiones del experimento: con este experimento pudimos probar de primera mano la ley de Faraday, donde nosotros al momento de mover el imán creamos un flujo magnético variable respecto al tiempo y por ello generamos fuerza electromotriz, a su vez también se comprueba el principio de Lenz que establece un sentido para la corriente inducida y el campo magnético inducido este será apuesto al cambio que los produce.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 95/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada Actividad 2 Fuerza

electromotriz inducida a partir de corrientes variables (ley de Faraday y principio de Lenz)

Comenta y analiza con tu profesor la ley de Faraday y el principio de Lenz. Posteriormente, el simulador propuesto observa los fenómenos descritos por Faraday y Lenz. FEM Material y equipo a. Autotransformador (Variac). b. Solenoide de 800 vueltas y núcleo recto de acero. c. Anillo abierto. d. Cables para conexión (proporcionados por los alumnos).

e. f. g. h.

Anillo cerrado. Bobina con foco. Bobina sin aislamiento. Disco giratorio y plato.

Utiliza el espacio siguiente para describir, por medio de diagramas, tus observaciones.

En el anillo cerrado existe corriente inducida por lo que si se aumenta la tensión de componente alterna este levita. En el simulador podemos observar un transformador Variac, que es una fuente de poder de componente alterno que genera un flujo magnético variable.

Para el caso del anillo abierto en la máxima componente alterna no hay ningún efecto sobre la espira abierta y este no levita. Esto se debe a que no hay corriente inducida. ¿Por qué se calienta el anillo metálico cerrado? Pues al tener una corriente inducida, pues genera una resistencia al paso de esta al inducido, por lo cual ocurre el mismo fenómeno de la Ley de Joule, la resistencia al paso de la corriente genera pérdidas de energía en forma de calor. ¿Qué transporte usa u ocupa este principio? El campo magnético que se opone al cambio de flujo. ¿Por qué el anillo abierto no levita? ¿Se calentará? Para que exista corriente se necesita un circuito cerrado y si no tenemos corriente inducida no hay campo eléctrico inducido. Con el anillo abierto no hay corriente inducida, porque el circuito no está cerrado, por lo tanto no hay un campo magnético inducido por lo que no levita. Por lo tanto, si no existe corriente inducida, no existe resistencia al paso de la corriente, por lo cual el anillo abierto no se calentará.

Conclusiones del Experimento: En la actividad 2 se concluyó y comprobó que Faraday y Lenz nos muestran que el flujo magnético a través de un área rodeada de una espira sí varía, se induce una fuerza electromotriz que es igual en módulo a la variación por unidad de tiempo del flujo que atraviesa el circuito.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 96/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada Actividad 3 Flujo magnético constante

Empleando el simulador propuesto, selecciona la pestaña transformador, analiza que sucede cuando en la sección electroimán se elige la opción de la pila “CC” y compara con lo observado en la opción de una señal alterna “CA”. Laboratorio magnetismo Material y equipo a. Solenoide de 800 vueltas y núcleo recto de acero. b. Fuente de 0-20 [V] y 0-10 [A] de cd. c. Cables para conexión (proporcionados por los alumnos).

d. Bobina con foco. e. Limadura de hierro.

¿A qué se debe el comportamiento del foco? Comenta con tus compañeros y justifica tu respuesta. Dibuja un diagrama de lo que sucede en ambos casos.

Diagrama 1: lo que se observa en este diagrama es practicante lo mismo que se vio en la actividad 1, solo que en este caso contamos con un electroimán el cual al generar una variación en su flujo magnético es decir cuando lo movemos generamos fuerza electromotriz. Para un flujo magnético constante las líneas de campo no varían y las mismas que entran, son las que salen.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 96/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada

Diagrama 2: observamos que la brújula cambia de dirección de manera intermitente, lo cual nos dice que tenemos un campo magnético el cual esta variando constantemente, lo cual provoca que se genere un flujo magnético variable con el tiempo, lo cual provoca que el foco se mantenga encendido dependiendo de la intensidad. Es decir, para este caso al añadir una corriente alterna los campos sí varían “entran y se regresan” provocando flujo y por tanto que el foquito se prenda. Conclusiones del experimento: en esta actividad vemos prácticamente lo mismo de la actividad 1, con la única diferencia de que aquí se utilizan corriente continua y corriente alterna, entonces básicamente en esta el foco enciende de manera constante utilizando la corriente alterna ya que el campo magnético varia constantemente como si este estuviera en movimiento de un lado hacia otro como vimos en la actividad 1 al no parar de agitar el imán de un lado a otro, esto genera un flujo magnético variable con el tiempo y por ello enciende el foco.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 97/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada Actividad 4 Transformador eléctrico

monofásico

Trabaja con el simulador propuesto para observar el comportamiento del transformador en su configuración elevador, determina que características se debe cumplir. Obtén la relación de transformación de al menos tres casos. Transformador Simulador simbólico En el segundo simulador, se debe seleccionar la ruta: “Ejemplos de circuitos”→ “otros circuitos pasivos” →”Transformadores” → “Transformador” Material y equipo Núcleo de hierro en forma de O. e. Solenoide de 400 vueltas. f. Solenoide de 200 vueltas.

a. Osciloscopio. b. Conector BNC con caimanes. c. Transformador reductor. d.

La primera configuración tendremos lo siguiente: 𝑁 600 Np= 600 y Ns= 600 y por consiguiente tenemos 𝑁𝑃 = = 1, lo que para cuestiones prácticas, 600

𝑆

significa que el trasformador no va ni a disminuir ni aumentar el voltaje:

𝑁

Np= 12,000 y Ns= 600 y por consiguiente tenemos 𝑁𝑃 = va disminuir el voltaje si tomamos en cuenta que

𝑆 𝑉𝑃

𝑉𝑆

12,000 600

= 20, lo que significa que el trasformador 𝑉

= 20, por lo tanto 𝑉𝑆 = 20𝑃 :

Np= 60 y Ns= 600 y por consiguiente tenemos aumentar el voltaje si tomamos en cuenta que

𝑁𝑃 𝑁𝑆

𝑉𝑃 𝑉𝑆

=

=

1 10

60 600

1

= 10, lo que significa que el trasformador va

, por lo tanto 𝑉𝑆 = 10𝑉𝑃 :

¿De qué color se pone el embobinado primario y por qué?

Vemos que se pone de un color rojo intenso y pues pensamos que es debido a un calentamiento, producido por el efecto Joule cuando existe resistencia en los bobinados del primario.

Conclusiones del Experimento: En la actividad 4 vimos los transformadores. El nombre de transformador va como anillo al dedo porque así pues transforma el voltaje. El principio de los transformadores son sencillos: un conductor cuyos extremos están envueltos con espiras de un conductor y alguno de ellos, el principal, está conectado a una diferencia de potencial. Al restante se le llama secundario y dependiendo del número de espiras existen tres tipos de transformadores, elevador, reductor y aislante. Mientras mayor sea el número de espiras en el primario, el voltaje tenderá a reducirse y mientras menor sea el número de espiras en el primario, el voltaje tenderá a subir.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 87/105 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Sección ISO 8.3 (modalidad a distancia) Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Facultad de Ingeniería Laboratorio de Electricidad y Magnetismo La impresión de este documento es una copia no controlada

Conclusiones de la práctica: Sámano Juarez Emilio Alberto: Esta práctica me pareció muy interesante para aterrizar conceptos vistos desde la practica 9, comenzando con la ley de Faraday y como es que esta nos ayuda a determinar la tasa de variación temporal del flujo electromagnético, esta se complementa junto con el principio de Lenz, el cual nos indica que la FEM producida por un flujo magnético cambiante (ley de Faraday), genera una corriente con una dirección que se opone a la variación del flujo que la produce, también observamos como actúa un flujo magnético constante con la ayuda de la corriente continua y la corriente alterna, aprendiendo así el funcionamiento de cada una de ellas con respecto a el campo y el flujo magnético que se presenta para cada caso, sin embargo lo que más me sorprendió fue el funcionamiento del transformador eléctrico monofásico el cual emplea a ley de inducción de Faraday para funcionar, básicamente funciona con la inducción mutua entre dos circuitos con un enlace magnético común. Me parece que la práctica cumple con los objetivos de manera satisfactoria y nos hace razonar sobre los conceptos investigados en el previo para entenderlos y plantearlos en casos reales. Vargas González Carlos Enrique: En esta práctica se cumplieron los objetivos propuestos en su inicio, conocimos el fenómeno de inducción electromagnética y las condiciones bajo la que esta se presenta. Empezando por el principio de Lenz donde se nos indica que la fuerza electromotriz producida por un flujo magnético que varía, genera una corriente contraria al flujo que la produce. Analizamos el comportamiento del flujo bajo condiciones de corriente continua y directa para terminar por aprender el funcionamiento de un trasformador monofásico, el cual dependiendo del número de espiras que este contenga, determinará si éste disminuye o aumenta el voltaje. Morales Sánchez Eduardo: Durante el desarrollo de esta práctica y con el uso de los simuladores propuestos en cada una de las actividades se pudo demostrar y comprender de mejor manera el fenómeno de la inducción electromagnética. Así mismo, se dedujeron de manera teórica y práctica las condiciones bajo las cuales se llega a presentar dicho fenómeno. Además, se hizo uso de los conceptos de flujo magnético, diferencia de potencial en un campo magnético, principio de Lenz y Ley de Faraday, los cuales fueron vistos durante la teoría, por lo que se pudieron comprender de manera práctica, se realizó su deducción y se conocieron las condiciones en las cuales se pueden presentar. Por lo que esta fue una de las prácticas más completas, al utilizar diversos conceptos que son de gran importancia.

Facultad de Ingeniería

Versión: 02 Página 98/105 Sección ISO 8.3 Fecha de 27 de agosto de 2021 emisión Área/Departamento: Laboratorio de Electricidad y Magnetismo

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5. Referencias  Jaramillo, G. A., Alvarado, A. A. (2008) Electricidad y Magnetismo. (Reimpresión 2008.) México: Trillas.  Serway R., Jewett J. (2009) Física para ciencias e ingeniería con física moderna. Vol. 2. (7a edición.) México: Cengage Learning.  Young H. D.,...