Induccion electromagnetica

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  • 1. UNIVERSIDAD NACIONALTECNOLOGICA DEL CONO SUR DE LIMAINGENIERIA ELECTRONICA Y DE TELECOMUNICACIONES INFORME 05Profesor: Bartolom Alumno:Roca Poccorpachi Jorge Luis Fecha de presentacin: 21/ 08/ 2012 Lima Per2012

2. IntroduccinLos primeros fenmenos magnticos observados fueron quiz la atraccin entre el hierroy la magnetita (xido de hierro) La magnetita formaba un imn natural que se encontrantiguamente en la provincia de Magnesia, mencionada por los griegos en el ao 800 A. C.Quiz la primera aplicacin prctica fue la invencin de la brjula.Los grandes descubrimientos del siglo XIX llevaron a unificar el estudio de los fenmenosmagnticos y elctricos. En 1820, Oersted mostr que una corriente elctrica producauna deflexin en la aguja de una brjula. Despus de este descubrimiento, Ampremostr que conductores que conducan corriente elctrica estaban sujetos a fuerzasmagnticas. Faraday, alrededor de 1830, descubre el fenmeno de induccin. Con estosdescubrimientos se inicia una revolucin tecnolgica relacionada con los fenmenosmagnticos y elctricos, que contina en nuestros das 3. Objetivos Estudio experimental de la ley de induccin electromagntica de Faraday utilizando imanes y bobinas EstudiarLas caractersticas tecnicas del transformador Entender en que consiste el fenmeno de la induccin electromagntica mediante la ley de Faraday y la Ley de Lenz.Comprender el fenmeno de inductancia mutua. Se estudiar la relacin entre el voltaje de salida de un transformador, el voltajede entrada y el nmero de espiras de ambas bobinas. 4. Fundamento terico Induccionelectromagnetica Flujo MagneticoMagnitud escalar , que representa el numero de lneas de campo magntico que atraviesa cierta superficie , matemticamente se representa por la siguiente expresin :Las unidades de medicin son el Weber (WB) Ley de Lenz Ley de Faraday Conocida tambien como la ley de la induccion electromagnetica. Establece que todo campo magnetico cuyo flujomagnetico a traves de un circuito cerrado varia en el tiempo induce en el circuitouna fuerza electromotriz llamada fem inducida:Donde el signo negativo manifiesta que la fem inducida ,obedece a la ley de Lenz 5. Transformadores Perdidas de potencia de Relacion de transformacinSe utilizan para transformar transformadoresen unenerga elctrica de unatransformadoresmonofasico tensin determinada , enenerga elctrica de otraPor ser una maquina elctricatensin distinta a la anterior. estatica , presenta perdidas de potencia ,que tienen origenen el hierro del Nucleo y elcobre del bobinado Perdidas en el hierro Perdidas en el cobreReluctanciaHisteresisLareluctancia magnticaEn electrotecnia se define la histresis magntica como elEl valor dede un material, es la retraso de la induccinesta potencia depen resistenciaque ste poseerespecto al campo que lo crea de de la intensidadal verseinfluenciado por de corriente tanto enun campo magntico el bobinado primario como en elsecundario, la cualvara mucho desde el funcionamiento en Corriente de vaco a plena carga. FolcautLas corrientes de Foucault creanprdidas de energa a travsdel efecto Joule. 6. Materiales Bobinas de primario, con nucleo Bobinas en U Seccin del ncleo: 40x40 mm Interface 3B Netlab Imanes Cables Computadora Fuente de alimentacinuniversal con indicacindigital parala tensin 3B NETlogy la corriente (115 V, 50/60 Hz) Dimensin de tubo en mm Tubo de induccin con 6 bobinas (LxD): 1500 x 10/20 Ancho de las bobinas: 10 Soporte universal mm Distancia entre las bobinas: 19 cm Pinza universal Masa: aprox. 500 g Cables de experimentacinTensin de salida deCC : 0 20 V, 0 5APotencia de salida:100 WEstabilidad a plenacarga: 0,01% + 5mV, 0,2% + 5 mABobina secundaria 5 Dimensiones: aprox.tomas , 72 espiras130x150x300 mmResistencia 0.1Masa: aprox. 4,7 kgCorriente mxima:12Inductancia 0.23mH 7. Procedimiento1. Con ayuda del soporte y la pinza universal colocar el tubo de induccin de tal manera que este quede completamente vertical2. Utilizando el interface como medidor de corriente (en las entradas IAin) conectarlo, con ayuda de los cables, al tubo de induccin. conectar la interface a PC. Observaciones : Conectamos la salida del interfaz al puerto USB de la PC ,encendemos el interfaz , y ahora el control ser por software . 8. 3. Pulsar el botn test, para verificar la conexin con el equipo 3B NETlogtm.4. Configure el sensor a modo de entrada a DC y rango de entrada en 200mA.5. Pulsar el botn Entradas Ok.6. Para la toma de datos configurar el intervalo en 500 s, y 1000 datos.7. Pulsar Iniciary, apenas se tenga la medicin en marcha.dejar caer el imn a travs del tubo .Guarde sus datos.Observaciones :Los parmetros que seaadi a la computadorason :500ms y 10000 datos8. Repita el paso 7, invirtiendo la polaridad del imn .guarde sus datos.Observaciones :La grafica adjunta representa unafuncin amortiguada , cuandosoltamos el iman (con el norte abajo.Escogido arbitrariamente ), dentro deltubo que en su rebestimiento tieneseis bobinados . en la figura aparecentambin 6 oscilaciones que es lacorriente inucida en cada bobina . Figura 1 9. Observaciones: La grafica adjunta representa Cuando el iman cae en el interior del tubo , inmediatamente despus del anterior experimento, solo que esta vez cambiamos la orientacin del iman (el sur colocamos ahora en la parte inferior) Figura 2 Repetimos la experiencia con un iman de mayor longitud Observaciones La figura ajunta ,representa cuando el imanmas largo cae e norte , por el tubo rebestido de bobinas . Como el iman tiene mayor dimensin , entonces es mas intenso su campo magntico , por lo tanto mayor numero de lneas ingresa a la espira y rpidamente se induce corriente .Figura 3 Observaciones : De la figura adjunta representa ,la cada del iman cuando cae de sur, por el tubo rebestido de solenoide . Es muy notorio la diferencia y el tiempo es masprolongado , esto se asocia a la mayor longitud del iman. Tambien existe una inversin de inicio ,queesta relacionado con que polaridad caeFigura 4 el iman. Y el sentido de la corriente inducida en la bobina 10. Transformador9. Instale el transformador con fuente apagada, de acuerdo a la figura siguiente, conectando entre los terminales de 06 espiras la interface 3B NETlogtm como sensor de voltaje, configurado en modo de entrada V DCy rango de entrada 20 V. En un transformador reductor la resistencia elctrica en el bobinado secundario es baja (200),a comparacin con la resistencia elctrica en el primario (Ley de Poulliet), lo cual nos ayudara a diferenciar del primario y el secundario.10. Encienda la PC, configure el intervalo de tiempo a 200 microsegundos y nmero dedatos d 500.11. Pulse iniciar para realizar una medida con fuente apagada. Se obtuvo la siguiente figura con fuente apagada :Observaciones : Cuando esta apagado eltransformador presenta una seal muy tenue , un ruidoelctrico , esto indica queapagado, el nucleo concentrael campo magntico , debido a la contaminacinelectromagntica delambiente. Figura 5 11. 12. Anote el nmero de espiras de las bobinas y el voltaje mas el primario, encienda lafuente del transformador.Numero de bobinas enel primario : 600Numero de bobinas enel secundario : 6 Bobinas13. Pulse restablecer, luego iniciar, realice ajuste de curvas y guarde sus datos.Se obtiene la seal sinusoidal en la salida : Observaciones : La seal es de naturaleza sinusoidal , el transformador no genera desfase, pero se muestra una ligera distorsion,eso implica que existe una fuente de ruido que se esta involucrando . Figura 6 12. 14. Cambie el sensor de voltaje a 30 espiras, pulse restablecer, luego pulse iniciar,realice el ajust de curvas y guarde sus datos.Para este segundo caso ,cambiamos la segunda bobinadel secundario a 30 bobinas,Con 600 espiras en elsecundarioSe obtiene la siguiente grafica de la seal en el bobinado secundario :Figura 7 13. 15- Luego con el sensor colocado, movemos el iman axialmente al centro de la bobina fijay la grafica obtenida es :Figura 816 Analogamente con el sensor colocado ahora movemos la bobina axialmentesobre eliman fijo , la grafica obtenida es la siguiente :Figura 9 14. Datos experimentales1. De acuerdo a los datos obtenidos en los pasos del 1 al 8 del procedimiento. Explique las variaciones de corriente, considere que el imn cae aceleradamente. que sucede con la polaridad del imn? Al iniciar el experimento , cae de norte la barra de iman , la primera espira interactua con un campo magntico tenue , pero debido a la accin de la gravedad el tiempo de cada se vuelve mas pequeo ,lo cual segn la ley de Faraday ,se incrementa considerablemente la tensin inducida ,esta tensin se incrementa conforma avanza en su cada libre el iman , por eso en la grafica se nota unas oscilaciones de amplitud creciente y tambin se ven 6 oscilaciones que corresponde a las seis bobinas . De igual forma cuando de inmediato invertimos el iman y dejamos caer en el interior del tubo ,al iniciar la primera oscilacin lo hace de manera invertida , esto se debe a la polaridad del iman , y se comporta de la misma manera al caso anterior. La polaridad del iman se mantiene tal como estadefinido , la nica manera de que pierda sus propiedades magnticas es por medio de golpes y exponerlo a temperaturas elevadas. Que ocurrir con la corriente inducida si en vez del imn usado en el experimento, utilizamos imanes ms intensos o msdbiles? Al utilizar imanes ms intensos la corriente inducida aumenta (Debido a que mas lneas de flujo atraviesan la superficie de la espira ) ,el periodo se mantiene constante mientras que al someter un imn de campo ms dbil la intensidad de la corriente disminuye.2. Cmo varia la corriente inducida sise hace pasar por lenta o muy rpidamente el imn por la bobina, a velocidad constante? La intensidad de la corriente inducida en una bobina,cuando un imnpasa con una mayor velocidad ,es de mayorintensidad,mientras al ser la velocidad tenue,La intensidad de corriente que se induce es infima ,contrastando con el caso anterior,Al poseer una velocidad constante la corriente inducida crecer de manera proporcional a su velocidad . 15. 3. Con los datos medido en el paso 12 complete la siguiente tabla : VrmsNpNs216600 6 De sus datos obtenidos en los pasos del 12 al 13 del procedimiento .escriba el voltaje ajustado para el secundario.V eficaz del primario = 220 Calcule el voltaje eficaz del secundario: Determinando el error porcentual del valor eficaz calculado al respecto a la salida terica del transformadorE% = (Vsexperi Vsteo)/Vsteo*100% = 0.045 % Con sus datos calculados de Vrms del secundario y sus datos de la tabla .verifique la valides de la ecuacin Entonces el Vpexperimental se aproxima al Vpterico por lo que cumple la ecuacin 16. 4. Determinar la frecuencia de a fem inducida y compare con la frecuencia de labobina primaria (60 Hz) La frecuencia de la fem inducida es: 5. De los datos obtenidos en el paso 14 del procedimiento. escriba el voltaje ajustadopara el secundarioVrmsNpNs 220600 30 Calcule el voltaje eficaz del secundario: Determine el error porcentual del valor eficaz calculado respecto a la salida terica del transformador Vs experimental = 11 =>( Vsteo Vs experi )* 100 %/Vs teor= 0.8127Con los datos calculados de Vrms del secundario y sus datos de la tabla .verificar lavalidez de la ecuacin=> Vp = 218.21 17. Analisis de datos Para el caso del desplazamiento del iman en el interior de la bobina (ver grafico 1 ) , se deduce que cumplen de manera estricta la ley de Faraday ,mientras se acerca induce una corriente en un sentido y cuando se aleja tambien induce una corriente en sentido contrario esto ocurre en todas las espiras, esa es la explicacion por la cual la corriente inducida en la grafica es oscilante , la amplitud creciente de la funcion amortiguada esta asociada al menor tiempo con que atraviesa la espira , por accion de la gravedad . Para el caso del transformador de multiples salidas, y sin alimentarlo cuando aplicamos el sensor de voltaje,figura una seal (figura 5 ),esta seal viene a ser la corriente de Folcaut, que generalmente se queda inmerso en el nucleo de hierro .por el cual genera perdidas de eficiencia mediante disipacion de calor ,sin embargo tambien tiene un aspecto positivo , que _ sirve como un buen amortiguador a oscilaciones molestas En el caso de los tranformadores .figura una diferencia entre el valor teorico y experimental que se representa e la siguiente tabla: Valor eficaz Valor eficaz experimentalde Eficiencia delteoricp de tension en el secundariotransformadorfrecuenciatension en el secundarioTransformador2.2V ef 2.750.08/1.41 =1.94Vef 88.18 % 59.93 Hzde 600 a 6Transformador11 Vef 14.810.06/1.41=10.51Vef95.8% 59.9Hzde 600 a 30Analizando en el transformadores de 600/6( Fig6 y Fig 7). Una eficiencia del 80.18% .estadiferencia lo podemos asociar porperdidas en el nucleo ,por la reluctancia del material . laresistencia de los bobinados,y tambien a la incertidumbre del instrumento ,como la malaergonomia al momento de colocar el sensor. 18. En el caso del otro transformador ,manifiesta una perdida de energia , esta perdida deenergia se debe a la energia acumulada por el bobinado del primario y del secundariodebido a la inductancia que representa , mas las perdidas por resistencia electricas .La frecuencia de la red se aproxima a la nominal que es de 60 Hz, para nuestraexperiencia es tolerable, ya que no manipulamos variables criticas, sin embargo estacaracteristica puede ser determinante cuando se trabaja en equipos mas sensibles , comoel caso de equipos biomedicos. O cuando deseamos hacer alguna investigacion especificadonde involucra esta seal . es por eso que en la actualida se usan los estabilizadores,porque garantiza una seal de la red optima .Con respecto a la figura 7 y figura 8 , enla experiencia cuando realizamos un movimientoaxial del iman hacia el transformador , se cumple la ley de lenz .Al acercar el iman al bobinado el flujo en las espras del bobinado aumentan, entonces seinduce una corriente electrica en opocicion al flujo que se incrementa, deacierdo a laregla de la mano derecha . la corriente tiene una polaridad incial .Pero cuando alejamos el iman, el flujo se atenua , entonces la corriente inducida en lasespiras de la bobina es tal que tiene un sentido a favor del flujo decreciente , (aplicando laregla de la mano derecha), por tal efecto la polaridad se cambia , es por eso que en lagrafica (Fig 8), figura una inversion de fase.Analogamente cuando mantenemos el iman fijamente y aproximamos la parte hueca delbobinado al iman . se induce una fem . la explicacion es la misma, se cumple la ley delenz. Ahora si realizamos estos movimientos de maneras mas rapidas la fem es mayor , laexplicacion nos las da la Ley de faradayUna aplicacin de este flujo variante, es en las alas de los aviones ,cuando termina unvuelo , en sus alas se induce fem , debido a que interactua con el campo magneticoterretres , y esta carga estatica puede ser agente de ignicion a los almacenes decombustible . 19. Cuestionario 1. Explique el funcionamiento de los generadores de corriente que transformanenerga mecnica en energa elctrica Generadores de Corriente alternaLa mayor parte de la energia electrica utilizada actualmente se producemediante generadores electricos en forma de corriente alterna (ca),Unsimple generador de corriente alterna esta formado por una espira enrotacion dentro de un campo magnetico uniforme : 20. Los extremos de la espira estan conectados a unos anillos deslizantes que giran con laespira. El contacto elctrico con la espira se realiza mediante escobillas estacionarias degrafito en contacto con los anillos cuando la lnea perpendicular al plano de la espiraforma un angulo. Con un campo magntico uniforme B ,el flujo de la espira es :Siendo N el numero de vueltas de la bobina y A el rea de la misma .Cuando la bobina giramecnicamente, el flujo a su travez cambia con el tiempo y segn la Ley de Faraday , seinducir en la bobina una fem,Si el angulo inicial es , al cabo de cierto tiempo t el anguloser :En donde W es la frecuencia angular de rotacin .sustituyendo esta expresin de La fem en la bobina ser , por tanto 21. Existen mecanismos que hacen posible tomar la energa potencial de la cadadel agua ,la combustin y transmitir este movimiento a las espiras que semovern en el campo magntico uniforme .y de esta forma generar unatensin alterna , dentro de estos tenemos un gran espectro declacificaciones , lo mas resaltante son :En la figura adyacente se muestra ungrupo electrgeno , que mueve un generador elctrico a travez de un motor de combustin interna , en la parte inferior se muestan las caractersticas tcnicas 22. ConclusionesLa ley de Lenz slo se cumple en circuitos cerrados en donde exista un movimientorelativo entre un campo magntico y un conductor, demostrando que la f.e.m. y lacorriente inducidas tienen un sentido tal que tienden a oponerse a la variacin quelas originaLa fem inducida en un circuito cerrado es inversamente proporcional al tiempo enque es expuestoen un campo magnetico .Los elementos diamagnticos atenan los efectos de un campo magntico externo,este proceso se denomina Apantallado; elementos diamagnticos como elbismuto ,cobre ,bronce , azufre ,silicio ,germanio y gases nobles.Para proteger equipos que controlan variables sensibles, equipos biomdicos porejemplo, es imprecindible el apantallado, para aislar magnticamente.La relacionde transformacin es inversa en caso de las corrientes ,yla frecuenciade red se altera con un valormuy infimo ( orden de las decimas ) en el secundario.esto se debe a la inductancia en los bobinado, que genera un desfase de maneraimplcitaa la seal de red .Los transformadores estudiados en laboratorio proporcionan un aislamientocaracterstico, idneo para aislar distintas etapas, (por ejemplo el circuito decontrol y circuito de potencia ).La tensin en el secundario ,envacio,es mayor a comparacin con el bobinadosecundario a plena carga .debido a que presenta un factor de potencia.Las perdidas en potencia ,se origina por el efecto joule debido a la resistencia elcobre , la corriente e Folcaut,la reluctancia que presenta el nucleo de hierro y elflujo de dispersion debido a que generan autoinductancia en el bobinado primarioy secundarioConociendo el funcionamiento y componentes del Transformador, es de granimportancia realizar una metodologa de pruebas para Transformadorespara evitar prdidas, fallas en el equipo y en sistemas elctricos, puesasaseguramos un correcto funcionamiento y una larga vida til para los mismos,ya que de nada sirve colocar una gran estructura y buenos clculos cuando laparte operativa del Transformador no se encuentra en buen estado.Concluyendo se pueden tener mejoras y grandes beneficios fortaleciendo eldesarrollo de tcnicas sistematizadas, estableciendo pruebas que se realizan encampo para determinar la calidad de los materiales que componen alTransformador. 23. Recomendaciones y sugerenciasAl realizar el experimento se tuvo la dificultad de que el interfaz 3B Netlog, no sensaba laseal, a pesar que se colocaba en reset y cambiaba de puerto, lo sugiero una reparacinde tal equipo.Es necesario que al momento de realizar el experimento de Faraday, los celulares estnapagados porque genera ruido elctrico en el laboratorio.BibliografaTipler | mosca ,fsica para la ciencia y la tecnologa 6 edicin. Vol. 2Fsica Universitaria Sears &Zemansky 12Ed - Vol 2Electrostatica y Magnetismo , Humberto Leiva Naveros.