Práctica 4 Inducción Electromagnética

Electricidad y Magnetismo UNITEC Campus Sur Agosto 2010

Universidad Tecnolgica de Mxico Ingeniera Telecomunicaciones y Electrnica Materia: Electricidad y Magnetismo

Prctica 4 rea: Ingeniera


Prctica No. 4

Induccin electromagntica

Fecha de elaboracin: ____________ Fecha Revisin: _________________ Responsable: ___________________

Objetivo

Identifica en ejemplos las caractersticas de la ley de Faraday y la ley de Lenz.

Calcula la diferencia de potencial inducida en un conductor.

Identifica en ejemplos las caractersticas de un inductor, la inductancia propia e inductancia mutua.

Investiga los experimentos de Faraday y de Lenz.

Obtn una conclusin de los experimentos desarrollados con relacin a la induccin electromagntica.

Elabora un reporte del desarrollo de los experimentos y los resultados obtenidos.

Normas de Seguridad. Es necesario evitar portar objetos metlicos, tales como relojes o pulseras. Trabajar atrs de la lnea de seguridad

Equipo de Seguridad. Bata Zapato cerrado


Investigacin Previa Consulta los siguientes conceptos en la bibliografa recomendada y anxalos en tu prctica.

1. Flujo magntico. 2. Ley de induccin de Faraday. 3. Ley de Lenz

Materiales

1 Resistencia de 10 K y 5 watts de potencia. Equipo

1 Transformador de 12 Volts y 1 Ampere 1 Multmetro digital con sus cables 1 Galvanmetro con escala centrada. Si no existe galvanmetro,

sus funciones pueden ser realizadas por el multmetro 1 Osciloscopio (opcional). 1 Barra magntica. 1 Fuente de voltaje directo (DC). 4 Cables para conexin. 2 Cables caimn-caimn 1 Brjula. 1 Fuente de voltaje alterno (AC), (Puede ser un transformador que

disminuya el voltaje de 120 volts a 6 volts y 1 ampere). 1 Ncleo laminado en forma de U.

Marco Terico

La Ley de induccin electromagntica de Faraday se basa en los experimentos que Michael Faraday realiz en 1831, y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magntico que atraviesa una superficie cualquiera, con el circuito como borde:


Donde es el campo elctrico, es el elemento infinitesimal del

contorno C, es la densidad de campo magntico y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las

direcciones del contorno C y de estn dadas por la regla de la mano derecha La permutacin de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integracin no cambie con el tiempo. Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley:

sta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando as al electromagnetismo. En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la frmula anterior se transforma en:

Donde e es la fuerza electromotriz inducida y d/dt es la tasa de variacin temporal del flujo magntico . La direccin de la fuerza electromotriz (el signo negativo en la frmula) se debe a la ley de Lenz.


Desarrollo

Actividad 1 Ley de induccin de Faraday

I. Conecta la bobina de 400 vueltas al galvanmetro (o multmetro) y al osciloscopio, tal como se muestra en la figura 1. En caso de no haber osciloscopio, conecta slo los restantes elementos como se indica en la figura 2.

II. Si usas el ampermetro como detector en vez del galvanmetro, colcalo en la escala de medicin de corriente de DC ms pequea.

III. Bajo esas condiciones sujeta el imn con la mano y colcalo en reposo dentro de la bobina, procurando no moverlo mientras realizas la observacin. Simultneamente observa en el medidor si se produce alguna corriente elctrica en la bobina.

1. Cuando se coloc el imn en reposo dentro del hueco de la bobina (paso III), se indujo una corriente en est?

_______________________________________________________________________________________________________________________

IV. Enseguida, mueve el imn dentro del ncleo de la bobina (cavidad de la bobina). Asegrate de que este entre y salga del ncleo, primero lenta y despus rpidamente. 2. Se produjo una corriente y voltaje en sta? ________________ 3. Si se indujo, en qu situacin fue ms intensa? _____________ 4. La corriente es del mismo signo cuando se introduce el imn que

cuando se retira? _____________________________________________________________________________________________________________

V. Ahora sujeta el imn con una mano y mantenlo en reposo. Con la otra mano sujeta la bobina y muvela hacia atrs y hacia adelante,


procurando que el magneto entre y salga del ncleo de la bobina. Primero hazlo de forma lenta y enseguida rpidamente. 5. Se produjo una corriente y voltaje en sta? _______________ 6. Si se indujo, en qu situacin fue ms intensa?

________________________________________________ ________________________________________________ 7. La corriente es del mismo signo cuando entra el imn que

cuando se retira? ____________________________________________________ ____________________________________________________

VI. Repite los pasos III, IV y V para una bobina de 800 vueltas. Adems de analizar cada uno de los pasos anteriores, observa si el nmero de vueltas influye en la intensidad de la corriente que se produce.


Actividad 2

Ley de induccin de Faraday

VII. Selecciona dos bobinas de 400 vueltas cada una y coloca una frente a otra montndolas en el ncleo laminado.

VIII. Conecta la fuente DC a la primera bobina (primaria). Cercirate de que sta se encuentre apagada.

IX. Enciende la fuente fija de 5 volts y 2 amperes.

X. Enseguida, acerca lo ms que se pueda la brjula a la bobina primaria y observa si sta produce un campo magntico.

XI. Conecta el multmetro en modo de medidor de voltaje a la segunda bobina (secundaria) colcalo en la escala de medicin ms pequea (ver Figura 3).

8. Cuando se aplic un voltaje constante a la bobina primaria por medio de una fuente de DC (pasos VIII, IX, X, XI y XII), se indujo una corriente y voltaje en la bobina secundaria?

______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________


XII. Sin mover la disposicin que se tiene, interrumpe bruscamente el voltaje aplicado a la bobina primaria usando el interruptor de la fuente.

XIII. Enseguida, enciende sbitamente la fuente.

9. Cuando el voltaje en la bobina primaria fue interrumpido rpidamente, se produjo un voltaje en la bobina secundaria? Cundo se encendio sbitamente, fueron de igual signo los dos voltajes?

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XIV. Desconecta la fuente de DC y en su lugar coloca una fuente de AC de 6 volts de voltaje eficaz, o un autotransformador con graduacin de 0-100% y entrada de 120 volts. Procura que la fuente se encuentre inicialmente desconectada de la lnea de energa elctrica.

XV. Coloca el multmetro en el modo de medicin de voltaje alterno en la escala ms pequea.

XVI. Conecta la fuente a la lnea de alimentacin y observa. 10. Cuando se aplic un voltaje alterno a la bobina secundaria, se

indujo un voltaje en la bobina secundaria? _____________________________________________________ _____________________________________________________

XVII. Repite del paso VIII al XVI para una bobina secundaria de 800 vueltas, manteniendo la bobina primaria de 400 vueltas. 11. El nmero de vueltas en la bobina secundaria influye en la

intensidad del voltaje y corriente inducida? _____________________________________________________ _____________________________________________________

Actividad 3 Transformador

Es importante recordar que para cada caso debers obtener la corriente de entrada (en el primario), la corriente de salida (resistencia y secundario), el


voltaje de entrada y el voltaje de salida, y anotarlos en las tablas correspondientes 1 y 2.

XVIII. Coloca en el ncleo laminado dos bobinas: una de 200 vueltas y otra de 400 vueltas y enseguida cierra el ncleo. A esta disposicin se le conoce como transformador.

XIX. Conecta la fuente de DC apagada a la bobina de 200 vueltas, en la de 400 vueltas conecta el medidor de voltaje en la escala de medicin de 0-20 volts de AC. Guate con la figura 4 para realizar las conexiones.

XX. Enciende la fuente de DC y suminstrale al primario un voltaje constante de 5 volts a 2 amperes (modo fijo). 12. Marca algn voltaje el medidor en el secundario?

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XXI. Enseguida, suministrando la fuente en 5V y 2A de DC, interrumpe sbitamente el voltaje con el interruptor de la misma o desconectando un cable del circuito. 13. El multmetro registra algn voltaje en el secundario? ______

XXII. Ahora, desconecta y retira la fuente de DC, de forma separada, coloca el multmetro en el modo de medicin de voltaje alterno en la escala de 0-20 volts de AC.

XXIII. Conecta a la bobina de 200 vueltas una fuente de AC, procurando que no est conectada a la lnea de energa elctrica.

XXIV. Enciende la fuente de AC (conectar a la lnea) y observa. 14. El medidor registra un voltaje en el secundario? Si registra,

cul es su valor? __________________________________

XXV. Desconecta la fuente, abre el ncleo y quita las bobinas del mismo. Enseguida colcalas una frente a otra, tal como cuando estaban en el ncleo laminado (ahora su ncleo es el aire que se encuentra en el hueco de las mismas).

XXVI. Conecta la fuente a la lnea de energa y observa. 15. El medidor de voltaje registra algn valor? Si es as, cul es

su magnitud?______________________________________ 16. De acuerdo a los resultados obtenidos con los experimentos

anteriores, cules son las condiciones para que un transformador pueda funcionar? ________________________


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XXVII. Selecciona dos bobinas, una de 200 vueltas para el primario y una de 200 vueltas para el secundario. Colcalas en el ncleo laminado y cirralo para formar el transformador.

XXVIII. Conecta la fuente de AC a cualquiera de las dos bobinas. Procura que la fuente est inicialmente desconectada.

XXIX. Conecta la fuente y conecta el multmetro en modo de medidor de voltaje alterno en la escala de 0-20 volts, en el primario del transformador. Mide el voltaje que se est aplicando y antalo en la tabla 2.

XXX. Enseguida coloca el mismo medidor de voltaje en el secundario y mide el voltaje de salida del transformador. Para medir la corriente, usa una resistencia de 44 y 5 W de potencia (se puede hacer un arreglo en paralelo o en serie si no se tiene un resistor como tal; por ejemplo, se puede trabajar con dos resistores de 100 en paralelo, y de 2W cada uno, que nos dara una resistencia equivalente de 50 y una potencia de 4W en serie con el multmetro). Anota tus datos en las tablas 1 y 2. Guate por la figura 5 para armar el circuito.

XXXI. Apaga la fuente de AC y abre el ncleo laminado; quita el secundario del mismo y remplzalo por una bobina de 400 vueltas. Finalmente, cierra el ncleo.


XXXII. Repite para este nuevo transformador los pasos XXIX y XXX para obtener el voltaje de entrada (en el primario) y el voltaje de salida y la corriente (en el secundario). Antalos en las tablas 1 y 2.

XXXIII. Apaga la fuente de AC y abre el ncleo laminado; quita el secundario del mismo y remplzalo por una bobina de 800 vueltas. Finalmente, cierra el ncleo.

XXXIV. Repite para este nuevo transformador los pasos XXIX y XXX para obtener el voltaje de entrada (en el primario) y el voltaje de salida y la corriente (en el secundario). Anota los valores en las tablas 1 y 2.

XXXV. Apaga la fuente de AC y abre el ncleo laminado; quita el secundario del mismo y remplzalo por una bobina de 1600 vueltas. Enseguida, cierra el ncleo.

XXXVI. Repite para este nuevo transformador los pasos III y IV para obtener el voltaje de entrada (en el primario) y el voltaje de salida y la corriente (en el secundario). Anota los valores en las tablas 1 y 2.

XXXVII. Apaga la fuente de AC y abre el ncleo laminado; quita el secundario del mismo y remplzalo por una bobina de 3200 vueltas. Cierre el ncleo.

XXXVIII. Repite para este nuevo transformador los pasos XXIX y XXX para obtener el voltaje de entrada (en el primario) y el voltaje de salida y la corriente (en el secundario). Anota los valores en las tablas 1 y 2.

XXXIX. Forma un transformador en el cual el primario tenga 400 vueltas y el secundario 200 vueltas y repite los pasos del XXXI al XXXVIII.

XL. Con el nmero de vueltas del secundario del transformador (NS ) y el

nmero de vueltas del primario (NP), obtn la razn de ambas . Es importante que trabajes con el nmero de vueltas de cada transformador que empleaste. Anota tus resultados en la tabla 1.

XLI. Con la corriente en el secundario (iS) y la corriente en el primario (iP),

obtn el cociente de ambos, Es importante que trabajes con los valores correspondientes de cada transformador y que anotes tus resultados en la tabla 1.


XLII. Compara cmo son los valores de G frente a los valores de g, para cada trasformador estudiado. Para llevarlo a cabo obtn la diferencia porcentual entre ambas, tomando como referencia a G

Ns= ip= is= G= g=

Tabla 1.

XLIII. Con las parejas de valores de corriente y voltaje para el primario de cada transformador, obtn la potencia suministrada al primario Pp y antalos en la tabla 2.

XLIV. Con las parejas de valores de corriente y voltaje para el secundario de cada transformador, calcula la potencia de salida Ps.

XLV. Con los valores correspondientes de potencia de salida y la potencia

de entrada, calcula el cociente, cual se le denominar

eficiencia del transformador y ser una cantidad porcentual. Anota tus resultados en la tabla 2.

XLVI. Con los valores de eficiencia obtenidos, calcula la eficiencia promedio.


ip is Vp Vs Pp Ps

Tabla 2 Anlisis y Presentacin de Resultados A partir de tus resultados responde las siguientes preguntas:

1. Un flujo magntico constante en el tiempo induce un voltaje en el secundario de un transformador? ___________________________

2. Qu condicin debe cumplir el flujo magntico para que se induzca un voltaje en el secundario? _______________________________

3. El nmero de vueltas en un transformador influye en la intensidad del voltaje y en la corriente del secundario? ______________________

4. Cules son las partes bsicas de un generador elctrico y en qu ley del electromagnetismo se basa su funcionamiento?

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5. Cules son las partes bsicas de un transformador y en qu ley del electromagnetismo se basa tu funcionamiento?

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Conclusiones del Aprendizaje Notas para los Alumnos

1. El reporte final de la prctica deber ser entregado a mquina de

escribir o en procesador de textos (PC) sin excepcin. 2. Las prcticas impresas slo sirven de gua y referencia. 3. No se aceptan copias fotostticas del reporte final. 4. La entrega del reporte de prctica es por alumno.

Recursos Bibliogrficos

Serway, Raymond A. y John W. Jewett, Electricidad y magnetismo, Thomson, 2005.

Sears, Francis, Fsica universitaria, Pearson, 2004.

Haliday, Davis y Robert Resnick, Fundamentos de Fsica, CECSA, 2001.

Práctica 4 Inducción Electromagnética

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