Practica 12. Electricidad y Magnetismo. Facultad de Ingeniería PDF

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Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 99/105 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

Práctica 12 Inductancia

Integrantes: Morales Sánchez Eduardo Vargas González Carlos Enrique Fecha de Realización: 18-11-2021

Fecha de Entrega: 25-11-2021

Calificación:

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 100/105 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.  

Objetivos General Comprender el concepto de inductancia y deducir experimentalmente de qué parámetros depende, tales como: número de vueltas, permeabilidad magnética del núcleo y su sección transversal. Determinar el inductor equivalente para una conexión en serie y en paralelo de inductores.

II.     

Objetivos específicos

Definir y comprender el concepto de inductancia. Medir el valor de la inductancia y el efecto resistivo en un inductor real. Comprobar el comportamiento inductivo y resistivo de un solenoide largo. Cuantificar el efecto en el valor de inductancia de un solenoide cuando se emplean núcleos de materiales diversos: paramagnéticos, diamagnéticos y ferromagnéticos. Definir y comprender lo que es una conexión en serie y una conexión en paralelo de inductores, así como la relación con la inductancia mutua en la conexión en serie.

1. Introducción Una corriente eléctrica genera un campo magnético y asociado a este último tenemos presente un flujo magnético. La cantidad de flujo magnético en cada unidad de corriente se conoce como inductancia. Al dispositivo que presenta esta característica se le conoce como inductor el cual, al igual que el capacitor, puede almacenar energía; sin embargo, el primero lo hace a partir de un campo magnético, a diferencia del capacitor que lo hace a partir de un campo eléctrico. Vale la pena resaltar que, con base en la ley de inducción de Faraday, en un inductor la diferencia de potencial en sus terminales es proporcional a la variación de corriente eléctrica respecto al tiempo que circula en él. Esto permite que este dispositivo sea muy utilizado en diversas aplicaciones; entre muchas otras podemos citar: en las bujías de un automóvil de combustión interna, a partir de la diferencia de potencial de la batería ( 12 V ) se puede alcanzar un valor de miles de volts para lograr la ignición de la mezcla aire-combustible; en circuitos electrónicos con una combinación de capacitores e inductores se pueden seleccionar cierto tipo de señales (filtros electrónicos); también los inductores son dispositivos que permiten mantener encendidas las lámparas de luz fluorescentes, entre otras aplicaciones.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 101/105 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 Efecto inductivo Inductancia - núcleo Inductancia – número de vueltas Conexión inductores 3. Equipo y material en el laboratorio

Foto 1. Multímetro.

Foto 5 . Juego de bobinas.

Foto 9 . Bobina con foco

Foto 2. Medidor RLC.

Foto 6. Autotransformador (Variac).

Foto 10 . Regla graduada de plástico

Foto 3. Fuente de diferencia de potencial continua.

Foto 7 . Dos núcleos de hierro en forma de “O”.

Foto 4. Solenoide de 800 vueltas.

Foto 8 . Cables de conexión (banana-caimán, bananabanana), proporcionados por los alumnos

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 102/105 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 Identificación

del efecto inductivo.

Con el apoyo del simulador, observa el efecto inductivo que se presenta.

Efecto inductivo a) Registre el valor de la autoinductancia L y la resistencia interna R del solenoide largo de N espiras, con núcleo de acero. L =1.089x10-3[H] R =3.3[]

b) Analice la conexión mostrada en el simulador y responda: ¿hay efecto inductivo?, ¿se produce campo magnético en el solenoide?, ¿por qué?

Podemos notar que hay un efecto inductivo, apreciamos que el solenoide con núcleo de metal genera un campo magnético debido a la corriente que atraviesa el cable y este campo se intensifica debido al núcleo de metal, el campo magnético de este solenoide induce una corriente a la bobina que lo envuelve y esto genera que el foco conectado a esa bobina se encienda. Conclusiones de la Actividad: Podemos concluir lo que se vio desde prácticas pasadas, una corriente que circula por un conductor generará un campo magnético envolvente, este campo tiene la capacidad de inducir corriente, este campo magnético se puede intensificar si en el solenoide decidimos incluir un núcleo de algún metal, aunque se debe de tomar en cuenta que este tendrá su resistencia al paso de la corriente que lo atraviesa como se vio en el simulador, sin embargo no quita la capacidad que tiene de inducir corriente.

Influencia de la permeabilidad magnética (µ) del material del núcleo, en el valor de la autoinductancia (L).

Actividad 2

Con el apoyo del simulador observa como es el comportamiento del inductor con la presencia de diferentes tipos de núcleo.

Inductancia - núcleo

Con los valores registrados complete la siguiente tabla. Considerar µaire=µ0 µ

Material del Núcleo

Inductancia propia [H]

Permeabilidad magnética µ[Wb/A*m]

Km =

Aire Acero Cobre

1.0924x10-3 5.78x10-3 827x10-6

1.256637x10-6 6.648995x10-6 9.513354x10-7

0.9999 5.2911 0.757

µ𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 = µ0 (

827(10) −6

1.0924(10)−3

) = 9.513354(10) −7 [

𝑊𝑏 ] 𝐴∗𝑚

5.78(10) −3 𝑊𝑏 ] µ𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 = µ0 ( ) = 6.648995(10)−6 [ 𝐴∗𝑚 1.0924(10) −3 µ𝑎𝑖𝑟𝑒 = 9.513354(10) −7 (

µ𝟎

𝑊𝑏 1.0924(10) −3 ) = 1.256637(10)−6 [ ] 827(10) −6 𝐴∗𝑚

Clasificación del material (paramagnético, diamagnético y ferromagnético paramagnético ferromagnético diamagnético

𝐾𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 = 𝐾𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 = 𝐾𝑎𝑖𝑟𝑒 =

9.513354(10)−7 µ0

6.648995(10)−6 µ0

= 0.7570

= 5.2911

1.256637(10)−6 = 0.9999 µ0

Conclusiones del Experimento: Podemos concluir en esta actividad que el material del núcleo de un solenoide influye mucho en lo que respecta a su autoinductancia, para esto nos tenemos que guiar de la permeabilidad relativa de los materiales del núcleo, en el dado caso de ser muy cercanos a 1 podemos decir que es un material paramagnético, como lo es el caso del aire, si el valor excede por mucho el valor de 1, se dice que es un material ferromagnético como lo es el acero en este caso y si el valor es un poco menor que el de 1 se dice que es un material diamagnético, como lo es el cobre, esto influirá en la eficiencia del solenoide en la generación de su campo magnético.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 103/105 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 Determinar el

efecto del número de vueltas de un embobinado en el valor de

su autoinductancia. Con ayuda del simulador propuesto mida la autoinductancia con núcleo ferromagnético y la resistencia interna de cada embobinado, para cada valor de N (número de vueltas). Registre sus mediciones en el cuadro siguiente.

Inductancia – número de vueltas Embobinado

número de vueltas (N)

autoinductancia [H]

resistencia interna []

L1 L2 L3

200 400

9.55x10-3

0.9

37.57x10-3

2.5

800

149.43x10-3

9.6

L4 L5

1600 3200

603.1x10-3

32.8

2435x10-3

149.2

¿Qué concluye? Explique su respuesta. Observamos que la inductancia es proporcional al número de vueltas que tenga el embobinado, ya que como podemos observar la autoinductancia aumenta conforme también lo hace el número de vueltas, ya que como sabemos, el número de vueltas en un embobinada está relacionado con el campo magnético, éste también es proporcional al número de vueltas del embobinado, en lo que concluimos que hace más fuerte al campo magnético y esto con un núcleo de un material ferromagnético, como lo vimos en la actividad anterior, también aumenta el campo. Conclusiones de la Actividad: Podemos ver que todo es proporcional en lo que respecta a la autoinductancia de un embobinado, ya que dependiendo del número de vueltas, la inductancia aumenta si hay mayor número de espiras o disminuye si hay menor número de espiras. Esto afecta directamente al campo magnético, ya que también es proporcional al número de espiras, que lo hará más grande si hay más espiras o más pequeño si hay menos espiras. Esto relacionado con la resistencia, podemos ver que también aumenta conforme aumenta la autoinductancia y matemáticamente podemos ver la relación si se hacen las sustituciones adecuadas, podremos observar que la resistencia también es proporcional al número de vueltas que tenga el embobinado (R=[µ0NV/BL]).

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 104/105 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 Conexión de inductores.

Apoyándose con el simulador, realice las conexiones indicadas.

Conexión inductores a) Inductores en serie con enrollado en el mismo sentido. Registre el valor de la inductancia total (equivalente), considere que los inductores se encuentran a corta distancia. Leq =7.805[H] b) Inductores en serie con enrollado en sentido contrario. Registre el valor de la inductancia total (equivalente), considere que los inductores se encuentran a corta distancia. Leq =2.291[H] c) A partir de las mediciones anteriores y con ayuda de las expresiones para la inductancia equivalente (Leq) del cuestionario previo, determine la inductancia mutua (M) para las conexiones anteriores. M =4.229[H] Usamos la fórmula de la inductancia mutua entre dos bobinas 𝑀 = √𝐿1 𝐿2 [𝐻] 𝑀 = √(7.805)(2.291) = 4.228623[𝐻] d) Inductores en serie alejados entre sí. Registre la inductancia equivalente de esta conexión cuando se encuentran lo más alejados posible (25 cm). Leq =3.038[H] ¿Qué concluye? Explique su respuesta. Aquí podemos observar cómo es que si dos bobinas o embobinados están lo suficientemente cerca, el flujo magnético de una influye sobre la otras, primero usando la inductancia equivalente de dos inductores en serie, siendo la suma de las inductancias de los inductores, la inductancia equivalente. A esto hay que agregarle que el sentido y la distancia influyen en el resultado, haciendo que en el caso de que los enrollados sean en sentido contrario, un flujo se oponga a otro haciendo más pequeña la inductancia total, mientras que la distancia hace que el flujo se “disipe” de camino al segundo inductor.

Conclusiones de la Actividad: Concluimos que la inductancia mutua está condicionada por el sentido de los enrollados y la distancia que está entre los inductores. Y después investigando falta un factor de acoplamiento, el cual determina todavía si la inductancia aumenta o disminuye.

Código: MADO-15 Versión: 02 Manual de prácticas del Página 105/105 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

5. Conclusiones Morales Sánchez Eduardo: Dentro del desarrollo de esta práctica, puedo decir que aprendí cosas nuevas como los diferentes tipos de transformadores, desde el transformador elevador hasta el transformador de aislamiento y como es que se comporta cada uno de ellos, observando sus conexiones en el simulador. Así mismo, se abordó un concepto que es importante el cual es la autoinductancia, ya que dentro de las clases teóricas y los problemas que se presentan es importante saber que es y cómo se calcula, por lo que el haber realizado experimentos como lo son el dos y el tres, nos ayudan a comprender mejor cómo es que se hace presente este concepto dentro de los circuitos. Por lo que puedo decir, que esta práctica me fue de mucha ayuda para comprender y entender mejor muchos de los conceptos que se abordan en teoría y que en muchas ocasiones es difícil visualizar. Vargas González Carlos Enrique: En la práctica pudimos concluir y reafirmando algunos de los conocimientos que obtuvimos en prácticas pasadas, observamos cómo los llamados inductores, bobinas o embobinados inducen flujo magnético de distintas maneras. Como se vio antes la inducción viene cuando existe un campo magnético que induce una corriente que a la vez creará otro campo magnético inducido, esto en un solenoide puede verse de otras formas ya que el núcleo de este influye, dependiendo del material ya sea ferromagnético, paramagnético o diamagnético, incrementará o disminuirá la autoinductancia del solenoide. Al final podemos ver que no solo el núcleo influye, sino también el número de espiras que el embobinado tenga, siendo las espiras directamente proporcionales a la inductancia del embobinado, lo que también afectará en cierta medida a la resistencia del mismo. Finalizando vimos cómo es la inductancia mutua entre dos inductores y cómo es que el sentido del enrollado y la distancia entre estos afecta a dicha inductancia, pudiendoi decir que se cumplieron con los objetivos propuestos. 6. 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., Freedman R. A., Sears y Zemansky (2013) Física universitaria con física moderna. Vol.2. (13a edición) México: Pearson.  Tipler, P. A. (2003) Física para la ciencia y la tecnología. Vol. 2. (6a edición.) España: Reverté.  Resnick R., Halliday D., et al. (2011) Física. Vol. 2, México: Patria....