Cuaderno Magentismo Aumentado

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2013-2014

Magnetismo Aumentado Una nueva visin de Electrotecnia

Proyecto curso CEFIRE 2012-13 Cmo motivar a los estudiantes mediante actividades cientficas atractivas

Autores:

Bernat Llopis Francisco Garcia Loli Iborra

Alumno/a:

1 Magnetismo Aumentado

Actividad para realizar experiencias de magnetismo y electromagnetismo en el mdulo de electrotecnia de ciclos formativos de Grado Medio, aunque tambin puede emplearse como actividad motivadora en la E.S.O. Mediante estas actividades se intenta mejorar la comprensin y experimentacin de fenmenos magnticos y electromagnticos. Este manual consta de varias experiencias que utilizan cdigos QR para visualizar ejemplos de las actividades que debes realizar. Mediante Realidad Aumentada (RA) observars diferentes elementos en forma tridimensional y en la ltima actividad, ste mtodo te permitir ver las instrucciones del ejercicio final.

Instrucciones

1. Descarga Aumentaty Viewer e instala el software en tu ordenador o dispositivo mvil

2. Descarga el archivo desde la web del proyecto, el archivo: magneto.atx para ordenador o magneto.atm para tablet o smartphone

3.- Imprime este dossier, que contiene los marcadores de Realidad Aumentada adems de cdigos QR, para realizar las actividades. 4. Abre la pgina de cada ejercicio, colcate delante del ordenador y muestra las marcas a la webcam. 5. Aparecer un modelo 3D sobre el marcador de la pgina del libro, en la pantalla de tu ordenador.

Necesitars tambin un lector de cdigos QR en tu dispositivo mvil o en tu ordenador para que aparezcan determinadas informaciones en la pantalla.


Indice

Instrucciones ................................................................................................................................................................................. 1

Indice ................................................................................................................................................................................................ 2

1. Introduccin .............................................................................................................................................................................. 3

2. Imanes ......................................................................................................................................................................................... 3 2.1. Propiedades de los imanes ........................................................................................................................................................... 3

Experiencia 1 Identificacin de los polos de un imn ...................................................................................................................... 3

Experiencia 2: Indivisibilidad de los polos de un imn ..................................................................................................................... 4

Experiencia 3: Leyes de atraccin y repulsin magnticas .............................................................................................................. 4

Explicacin 4: Magnetizacin inducida ........................................................................................................................................... 4

2.2. Clasificacin y Aplicaciones de los imanes .................................................................................................................................... 5

3. Campo magntico .................................................................................................................................................................... 5 Experiencia 5 Visualizacin del campo magntico producido por un imn ..................................................................................... 5

3.1. Magnitudes magnticas ................................................................................................................................................................ 6

3.2. Propiedades magnticas de la materia ......................................................................................................................................... 6

Experiencia 6 estudiar el comportamiento de distintos materiales ................................................................................................ 6

4. Electromagnetismo ................................................................................................................................................................. 6 Experiencia 7. Una corriente genera un campo magntico ............................................................................................................ 6

Experiencia 8. Un campo magntico genera una corriente elctrica. ............................................................................................. 7

4.1. Generacin de un campo magntico a partir de corriente elctrica ............................................................................................. 7

Experiencia 9, que lleva su nombre: Experiencia de Oersted .......................................................................................................... 7

Intensidad de campo magntico (H) .................................................................................................................................................... 7

Mquinas electromagnticas simples .................................................................................................................................................. 7

Electroimn .......................................................................................................................................................................................... 8

Circuito magntico ............................................................................................................................................................................... 8

Fuerza electromagntica ..................................................................................................................................................................... 9

4.2. Generacin de corriente elctrica a partir de un campo magntico ............................................................................................. 9

Ley de Faraday................................................................................................................................................................................ 9

Generador elemental ...................................................................................................................................................................... 9

Ley de Lenz. Sentido de la fuerza electromotriz inducida. ............................................................................................................... 9

4.3. Consecuencias de los flujos variables.......................................................................................................................................... 10

Corrientes de Foucault .................................................................................................................................................................. 10

Histresis magntica .................................................................................................................................................................... 10

4.4. Coeficiente de autoinduccin ..................................................................................................................................................... 10

Aplicaciones de la autoinduccin ....................................................................................................................................................... 10

Experiencia final........................................................................................................................................................................ 11 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ........................................................................................................................................................ 11

LISTA DE MATERIALES ........................................................................................................................................................................ 11

CONSTRUCCION DEL BASTIDOR ......................................................................................................................................................... 12

CONSTRUCCION DEL ROTOR .............................................................................................................................................................. 13

a. Construccin de las delgas ........................................................................................................................................................ 13

b. Construccin del bobinado electroimn .................................................................................................................................... 14

c. Montaje .................................................................................................................................................................................... 14

Construccin DE LAS ESCOBILLAS ...................................................................................................................................................... 14

ENSAMBLE ......................................................................................................................................................................................... 15

DETALLES DE TIPO PRACTICO ............................................................................................................................................................. 15

PRUEBAS ............................................................................................................................................................................................ 15

Comprueba tu aprendizaje .................................................................................................................................................... 15


1. Introduccin El magnetismo es la parte de la Fsica que estudia las acciones magnticas y los campos magnticos. El electromagnetismo es la parte de la Electrotecnia que estudia las relaciones recprocas entre los campos magnticos y las corrientes elctricas. El electromagnetismo tiene gran cantidad de aplicaciones, la ms extendida es aquella en la que interviene la energa mecnica, es decir, el movimiento como es el caso de los motores.

Para saber ms: historia de los imanes.

2. Imanes Un imn es una sustancia con propiedades magnticas, es decir, con la facultad de atraer al hierro y a otros metales magnticos. Los imanes suelen estar formados por metales como el nquel, el hierro y sus aleaciones. Todos los materiales reaccionan, en mayor o menor grado ante la presencia de imanes. Las zonas donde se manifiesta con mayor intensidad la accin magntica son los extremos o polos, disminuyendo hasta la regin media o zona neutra. Todos los imanes tienen dos polos inseparables y distintos (forman un dipolo).

2.1. Propiedades de los imanes

Experiencia 1 Identificacin de los polos de un imn

A la vista de la figura que veas al poner el marcador frente a la cmara realiza las siguientes actividades:

1: qu tipo de imn es: o _________________

2: gira el marcador y dibuja el imn sealando la lnea neutra

3: marca sobre el dibujo los polos del imn. Responde: 4: de dnde reciben los polos su nombre? 5: si lo sujetases suspendido de un hilo hacia dnde se orientar?


Una aguja imantada suspendida y dotada de libertad de movimiento, constituye un magnetmetro elemental o brjula que, adems de permitirnos la orientacin, nos permite detectar la presencia de imanes (o electroimanes), es decir la presencia de un campo magntico, adems de su direccin y sentido. Es el momento de que realices una aplicacin prctica. Para ello enfoca con tu dispositivo mvil este cdigo QR y sigue las instrucciones para realizar el tuyo en el aula.

Experiencia 2: Indivisibilidad de los polos de un imn

Qu sucede cuando rompemos un imn? Piensa, comntalo en grupo para ponerlo en comn en clase y comprobar las conclusiones.

Experiencia 3: Leyes de atraccin y repulsin magnticas

Observa desde el QR, la experiencia 1 (del min 0 al 1:25) del video que puedes ver capturando este cdigo Qu sucede cuando los imanes tienen la misma polaridad?

Explicacin 4: Magnetizacin inducida

Podemos conseguir que un determinado material adquiera las propiedades de un imn. En este cdigo descubrirs cmo se hace. Se te ha ocurrido pensar cmo se fabrican? Obsrvalo ahora: Responde ahora: a) Si aadimos sucesivamente objetos a un imn tambin sern magnetizados y atrados por el anterior? _________ b) se puede magnetizar un material ferro magntico como el alnico (aleacin de aluminio, nquel y cobalto) en un fuerte campo magntico? _____

Tu respuesta:


2.2. Clasificacin y Aplicaciones de los imanes Dibuja sobre este espacio el aspecto de los polos del imn que aparece al mostrarlo a la

cmara

Dnde emplearas este tipo de imn?

DESCUBRE: El Contador de energa elctrica. Vamos a ver en el aula un contador de energa por dentro, identifica sus partes y conoce su conexionado.

3. Campo magntico El campo magntico es la regin del espacio en la que se producen fenmenos de tipo magntico (atracciones-repulsiones con otros elementos magnticos), es decir, el espacio alrededor de uno o ms imanes.

Experiencia 5 Visualizacin del campo magntico producido por un imn

Actividad prctica: En el video que puedes ver ahora (hasta min 3:15) capturando este cdigo QR, te dar las pistas para realizar con tu equipo de trabajo esta misma experiencia. Para ello anota los materiales necesarios para visualizar las lneas de fuerza en el aula. Anota en el recuadro los materiales y el proceso que has seguido:

Tu respuesta:


3.1. Magnitudes magnticas

3.2. Propiedades magnticas de la materia

Experiencia 6 estudiar el comportamiento de distintos materiales

Busca ahora un imn potente o un juguete magntico y comprueba la atraccin dejando un

espacio entre dos imanes e interponiendo diferentes materiales entre ellos.

Casos Prcticos. RESUELVE Comprueba el

resultado

Un imn de seccin cuadrada es atravesado por un flujo de 20 mWb. Si la induccin magntica en su interior tiene un valor de 0,5 T, determina la longitud del lado de la seccin transversal del imn.

La induccin de un imn es de 1,256 T, siendo 15 cm su longitud y 3 cm2 su seccin. Calcula el Flujo magntico.

4. Electromagnetismo Vamos a comprobar, mediante dos experiencias, el vnculo existente entre corrientes elctricas y campos magnticos. Experiencia 7. Una corriente genera un campo magntico

Qu sucede al aproximar una brjula a un conductor por el que circula una corriente elctrica? Para comprobarlo, observa que sucede en este video al que acceders

desde el cdigo QR


Puedes comprobarlo con la brjula, incluso si tienes instalada una en tu dispositivo mvil y anotar tus conclusiones.

Experiencia 8. Un campo magntico genera una corriente elctrica.

SI dispones de tiempo puedes construir una bobina con hilo de cobre esmaltado y conectarla a

un ampermetro para estudiar las consecuencias al acercar un imn y anota tus observaciones.

4.1. Generacin de un campo magntico a partir de corriente elctrica Hans Christian Oersted fue el primer cientfico que observ el fenmeno que describe la relacin entre electricidad y magnetismo. Experiencia 9, que lleva su nombre: Experiencia de Oersted El paso de una corriente elctrica a travs de un conductor siempre genero un campo magntico a su alrededor. Observa y anota las conclusiones. (Esta aplicacin puede no funcionar en algn dispositivo mvil) Para saber ms: Laboratorio virtual

Intensidad de campo magntico (H) La intensidad de campo magntico se define como el nmero lneas de fuerza por unidad de superficie, por lo que es equivalente a la induccin magntica, y se diferencia en la magnetizacin.

Prueba esto con un monitor antiguo de ordenador (tubo de rayos catdicos) y acerca un imn de suficiente potencia. Qu pasa al mover el imn alrededor del monitor? Cuidado, no lo experimentes sobre un monitor en uso, pues podra quedar imantado y ofrecera imgenes deformadas.

Caso Prctico. RESUELVE Comprueba el resultado

Entre dos caras polares existe una intensidad de campo de 20 A/m. Se introduce un ncleo magntico que adquiere una induccin de 1,4 T. Determina el valor de la permeabilidad absoluta magntica del ncleo.

Mquinas electromagnticas simples Todas las mquinas elctricas se basan en otros elementos ms simples que se estudian a partir de la experiencia de Oersted, por lo que es muy importante conocer los campos magnticos generados por los elementos electromagnticos simples en los que se basan las mquinas elctricas. Son los siguientes: conductor rectilneo infinitamente largo, espira circular y solenoide. El sentido del campo magntico creado por una corriente elctrica a travs de un conductor rectilneo viene dado por el sentido de giro de un tornillo que avanzase en el sentido de la intensidad (Ley de biot y Savart) Aqu puedes ver otra simulacin. (Esta aplicacin puede no funcionar en algn dispositivo mvil)


Recuerda o comprueba una aplicacin prctica del campo magntico producido por un conductor rectilneo manejando una pinza amperimtrica en clase. Regla de Maxwell aplicada a la espira o solenoide El sentido del campo magntico generado en el centro de una espira, fc, coincide con el del avance de un tornillo (o sacacorchos) que girase en el sentido de la corriente I que la recorre Busca en Wikipedia el significado de las palabras dextrgiro y levgiro. Un solenoide es un conductor en forma de bobina (o arrollamiento) cuyo interior (o ncleo) est constituido por un material no magntico (aire, cartn, etc.).

Electroimn Vamos a conocer una aplicacin muy comn de los electroimanes a

travs del cdigo que tienes al margen. Tambin puedes ver este video

donde explica el funcionamiento de un timbre domstico.

Para aumentar el efecto magntico del solenoide, se puede introducir un ncleo de material ferro magntico en su interior, ya que al mejorar la permeabilidad del medio que deben atravesar las lneas de fuerza, estas se concentran y mejoran notablemente el campo en su interior. El elemento obtenido se denomina electroimn, y sus aplicaciones ms importantes son similares a las de los imanes, pero las fuerzas son mayores, y se activan o desactivan alimentando o desconectando el electroimn. La aplicacin ms importante es la de formar los circuitos magnticos de las mquinas elctricas.

Circuito magntico Una mejora ms en los dispositivos electromagnticos consiste en conseguir que el ncleo ferro magntico sea cerrado y que los cambios de direccin sean suaves para que se pierda la menor cantidad de lneas de fuerza y mejorar el rendimiento. Completa esta tabla:

Magnitud magntica Definicin Equivalente Magnitud elctrica

Reluctancia M

Flujo

Fmm F

Ley de Hopkinson = F / R


Fuerza electromagntica Fuerza ejercida sobre un conductor que transporta corriente en el seno de un campo magntico. Observa la figura que veras a travs del cdigo QR y anota junto al cdigo, las conclusiones a las que llegues en tu grupo de trabajo.

(Esta aplicacin puede no funcionar en algn dispositivo mvil)

4.2. Generacin de corriente elctrica a partir de un campo magntico

Ley de Faraday

La fuerza electromotriz generada en un bobinado es directamente proporcional al nmero de espiras del bobinado y a la velocidad de variacin del flujo. El valor de la fem inducida en el devanado se determina con la expresin: El signo negativo representa que la fem inducida se opone a la causa que lo produce (Ley de Lenz que veremos ms adelante). Por tanto, la fuerza electromotriz inducida depende de la velocidad de variacin del flujo. Este fenmeno es el denominado efecto generador.

Mira el experimento de demostracin de la ley de FARADAY a travs de este cdigo.

Cuando lo hayas hecho, experimntalo en tu dispositivo capturando este otro QR.

Generador elemental

Un generador de corriente alterna, produce una corriente alterna, lo que significa que el voltaje producido alternativamente invierte la polaridad de positivo a negativo, produciendo un cambio correspondiente en la direccin del flujo de corriente como puedes observar ahora. Anota que ocurre al aumentar la rotacin de la bobina respecto a la frecuencia. Tambin puedes comprobarlo en esta otra animacin.

Ley de Lenz. Sentido de la fuerza electromotriz inducida.

Cmo funciona el freno magntico de un camin? Mira a travs de este cdigo una aplicacin prctica de la Ley de Lenz Segn la ley de Lenz: La fuerza electromotriz inducida se opone siempre a la causa que la produce.

Conclusiones:


4.3. Consecuencias de los flujos variables

Corrientes de Foucault

Tambin llamadas parsitas, las corrientes de Foucault se producen en cualquier conductor elctrico (metales en general) que est sometido o flujos variables, incluidos los circuitos magnticos, que es normalmente donde ms se manifiestan. Se establecen en el ncleo de la mquina y se distribuyen al azar por toda su seccin.

Explica a travs del video anterior que consecuencias tienen en las mquinas de corriente alterna este efecto respecto a los flujos variables e indica alguna aplicacin prctica del uso de corrientes de Foucault:

Histresis magntica

Para estudiar la relacin entre la induccin magntica y la intensidad de campo podemos observar a travs del siguiente cdigo una detallada presentacin. Una vez visualizada, describe con tus propias palabas en qu consiste.

4.4. Coeficiente de autoinduccin La autoinduccin es el fenmeno por el que una corriente elctrica que vara en el tiempo en un circuito elctrico produce en el mismo circuito otra fuerza electromotriz inducida que se opone a la variacin de la fuerza electromotriz. Observa en que en ocasiones, al apagar un interruptor de un circuito (sobre todo si este alimenta a lmparas fluorescentes) se observa que, incluso a travs de la carcasa de plstico del mismo, aparece una chispa. A qu crees que se debe? Ese resplandor obedece a la tendencia de las bobinas magnticas (que contienen este tipo de circuitos) a mantener la corriente elctrica cuando se interrumpe, aunque sea mediante un arco a travs del aire entre los contactos del interruptor cuando estos se separan. Los circuitos con bobinas tambin tratan de impedir que circule la corriente cuando se cierra el interruptor.

Aplicaciones de la autoinduccin Crees que el magnetismo terrestre puede tener algn efecto con la naturaleza? El magnetismo tiene presencia en fenmenos naturales como el campo magntico terrestre, en objetos de la vida cotidiana como el altavoz, el motor elctrico o las tarjetas de crdito, y en aplicaciones ms avanzadas como equipos de diagnstico mdico (RMN y TAC) o trenes de alta velocidad (MAGLEV y TELMAG) que puedes ver a travs de este cdigo. Adems, son esenciales para la produccin de energa y las telecomunicaciones. Los campos magnticos se generan de forma natural por materiales magnticos, conocidos como imanes, o por corrientes elctricas en conductores.

Observa el video sobre la aurora boreal a travs de este cdigo y responde a esta cuestin puede el magnetismo terrestre influir en la aparicin de las auroras boreales?


Experiencia final

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR - Se distinguen dos partes: rotor y estator - El rotor comprende todas las piezas solidarias con el eje, y que giran con l: las dos delgas y el bobinado. - El estator est formado por los elementos que no se mueven: los dos imanes permanentes y las dos escobillas. - La alimentacin elctrica se conecta al electroimn a travs de las dos escobillas y de las dos delgas. Los polos magnticos que aparecen en el electroimn se atraen o se repelen con los de los imanes permanentes, lo cual hace girar al conjunto.

LISTA DE MATERIALES

1 Tablero de 12 x 24 cm

2 Imanes

1 Eje de metal

2 Poleas

1 Bobina hilo cobre esmaltado

2 Laminillas de hojalata y 4 Laminillas de bronce

2 Prisioneros de latn

1 Tubo plstico

10 Escuadras


CONSTRUCCION DEL BASTIDOR Cortar el tablero segn la figura para obtener los soportes

La base debe medir 19x12 cm. Del resto necesitas 4 soportes cuya altura ser de 5 cms, teniendo 4 cms en su base y 2 cms en la parte superior.

Atornillar los 4 soportes al tablero mediante las escuadras metlicas como muestra la imagen.

- Corta por la mitad cada lmina de bronce y dblalas como la figura

- Pega los dos imanes como vers en la imagen siguiente:


OBSERVA que los polos magnticos estn enfrentados.

CONSTRUCCION DEL ROTOR

a. Construccin de las delgas

- Encajar las poleas en los extremos del tubo y pegarlas.

- Cortar en dos trozos de 2 x 3 cm de una laminilla de bronce y hacerle un pequeo saliente para la conexin con los extremos del bobinado de cobre (doblar para hacer la conexin). - Pegar el cuerpo de las dos laminillas en un extremo del tubo para hacer las delgas sin que se toquen entre ellas.

Comprobar con un polmetro que no hay contacto elctrico entre las dos delgas.


b. Construccin del bobinado electroimn

Preformar las dos laminillas de hojalata como se indica en la figura.

Enfrentar las dos laminillas y encintarlas con cinta celo para formar el ncleo del electroimn. Presta atencin: Encinta bastante para evitar el roce con el hilo de cobre y se produzca un corto circuito - Bobinar el hilo de cobre esmaltado hacia delante y hacia atrs, pero girando siempre en el mismo sentido (aproximadamente dos capas). Terminar los extremos del bobinado sobre la parte central. Lijar bien 2 cm aproximadamente el comienzo y el final del hilo de cobre para quitar el esmalte, ya que tendr que hacer contacto con la punta de las delgas. Comprobar que funciona como electroimn conectando una fuente de alimentacin entre 3 y 5V a los extremos del bobinado y observando que atrae a los pequeos clavitos.

c. Montaje

- Poner el tubo por dentro del crculo del electroimn. - Encintar con celo para que no se mueva el conjunto, dejando fuera solamente los dos extremos del bobinado. - Conectar los dos extremos del bobinado a las delgas, preferiblemente soldando. - Doblar el eje de hierro para formar la manivela. Ensartar la manivela al tubo del rotor. El eje debe quedar solidario con el tubo. Si tuviera holgura con el agujero de los polos, utilizar un pegamento fuerte. Colocar en el eje las dos escuadras y prisioneros para ubicar el rotor en el bastidor.

Construccin DE LAS ESCOBILLAS Recortar un trocito de 3 cm x 1 cm de cada laminilla de bronce y reservarla para las escobillas.


ENSAMBLE Finalmente, siguiendo el croquis que vers en este marcador, ensamblar el bastidor con el rotor, atornillando las escuadras. Clavetear las escobillas para que hagan contacto con las delgas y conectarlos a los dos terminales de conexin de la fuente de alimentacin.

DETALLES DE TIPO PRACTICO - Comprobar con un polmetro que las laminillas de bronce no toquen con las de hierro ni entre s. No olvidar limar las puntas del hilo de cobre esmaltado para asegurar un buen contacto elctrico con las delgas. - Es necesario que los imanes se coloquen enfrentados para que se atraigan entre ellos. - Tiempo aproximado de construccin: 4 sesiones.

PRUEBAS - Comprobar que el bobinado del rotor acta como un electroimn: antes de colocarlo en el estator, aplicarle directamente tensin (menos de 5v) y comprobar que atrae a los clavitos de hierro. - Colocar el rotor en el estator y aplicar tensin. Si el motor no comienza a girar, darle un pequeo empujn para ayudar al arranque. Si continua sin girar o gira y se para, observar si las escobillas hacen bien contacto con las delgas. Si a pesar de todo sigue sin girar, colocar uno de los dos imanes permanentes en sentido contrario a como estaba. - Tener cuidado con las conexiones: comprobar que hay cortocircuito entre cada terminal de entrada de la pila hasta la delga correspondiente para asegurar que la tensin de la fuente de alimentacin o pila, llega a las delgas a travs de las escobillas.

Comprueba tu aprendizaje Es hora de comprobar lo que has aprendido, para ello captura el cdigo con tu dispositivo y accede a la web para realizar un cuestionario final. (Es necesario que seas usuario registrado para poder hacer el ejercicio)


Magnetismo Aumentado se distribuye bajo una licencia Creative Commons

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