UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLOGICA DEL CONO SUR DE LIMA

INGENIERIA ELECTRONICA Y DE TELECOMUNICACIONES

INFORME 05

Profesor: Bartolomé

Alumno: Roca Poccorpachi Jorge Luis

Fecha de presentación: 21/ 08/ 2012

Lima –Perú

2012

Introducción

Los primeros fenómenos magnéticos observados fueron quizá la atracción entre el hierro y la magnetita (óxido de hierro) La magnetita formaba un imán natural que se encontró antiguamente en la provincia de Magnesia, mencionada por los griegos en el año 800 A. C. Quizá la primera aplicación práctica fue la invención de la brújula.

Los grandes descubrimientos del siglo XIX llevaron a unificar el estudio de los fenómenos magnéticos y eléctricos. En 1820, Oersted mostró que una corriente eléctrica producía una deflexión en la aguja de una brújula. Después de este descubrimiento, Ampère mostró que conductores que conducían corriente eléctrica estaban sujetos a fuerzas magnéticas. Faraday, alrededor de 1830, descubre el fenómeno de inducción. Con estos descubrimientos se inicia una revolución tecnológica relacionada con los fenómenos magnéticos y eléctricos, que continúa en nuestros días

Objetivos

Estudio experimental de la ley de inducción electromagnética de Faraday utilizando imanes y bobinas

Estudiar Las características tecnicas del transformador Entender en que consiste el fenómeno de la inducción electromagnética mediante

la ley de Faraday y la Ley de Lenz. Comprender el fenómeno de inductancia mutua. Se estudiará la relación entre el voltaje de salida de un transformador, el voltaje de

entrada y el número de espiras de ambas bobinas.

Fundamento teórico

Flujo Magnetico

Magnitud escalar , que representa el numero de líneas de campo magnético que atraviesa cierta superficie , matemáticamente se

representa por la siguiente expresión :

Las unidades de medición son el Weber (WB)

Induccion electromagnetica

Ley de Faraday

Conocida tambien como la ley de la induccion electromagnetica. Establece que todo campo magnetico cuyo flujo

magnetico a traves de un circuito cerrado varia en el tiempo induce en el circuito una fuerza electromotriz llamada fem

inducida:

Donde el signo negativo manifiesta que la fem inducida ,obedece a la ley de Lenz

Ley de Lenz

Transformadores

Se utilizan para transformar energía eléctrica de una

tensión determinada , en energía eléctrica de otra

tensión distinta a la anterior.

Relacion de transformación en un transformadores

monofasico

Perdidas de potencia de transformadores

Por ser una maquina eléctrica estatica , presenta perdidas

de potencia ,que tienen origen en el hierro del Nucleo y el

cobre del bobinado

Perdidas en el hierro

Perdidas en el cobre

Histeresis

Corriente de Folcaut

El valor de esta potencia depende de la intensidad de corriente tanto

en el bobinado primario como en el secundario, la cual varía mucho desde el funcionamiento en vacío a plena

carga.

En electrotecnia se define la histéresis magnética como el

retraso de la inducción respecto al campo que lo crea

Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través

del efecto Joule.

Reluctancia

La reluctancia magnética de un material , es la

resistencia que éste posee al verse influenciado por

un campo magnético

3B NETlog™

(115 V, 50/60 Hz)

Tensión de salida de CC : 0 − 20 V, 0 − 5 A Potencia de salida: 100 W

Estabilidad a plena carga: ≤0,01% + 5 mV, ≤0,2% + 5 mA

Dimensiones: aprox. 130x150x300 mm³Masa: aprox. 4,7 kg

Materiales

Bobinas

Interface 3B Netlab

Imanes

Cables

Computadora

Fuente de alimentación

universal con indicación

digital para la tensión

y la corriente

Tubo de inducción con 6 bobinas

Soporte universal

Pinza universal

Cables de experimentación

Procedimiento

Bobinas de primario, con nucleo en U

Sección del núcleo: 40x40 mm²

Bobina secundaria 5 tomas , 72 espiras

Resistencia 0.1Ω Corriente máxima:12ª Inductancia 0.23mH

Dimensión de tubo en mm (LxD): 1500 x 10/20

Ancho de las bobinas: 10 mm

Distancia entre las bobinas: 19 cm

Masa: aprox. 500 g

1. Con ayuda del soporte y la pinza universal colocar el tubo de inducción de tal manera que este quede completamente vertical

2. Utilizando el interface como medidor de corriente (en las entradas IAin) conectarlo,

con ayuda de los cables, al tubo de inducción. conectar la interface a PC.

3. Pulsar el botón test, para verificar la conexión con el equipo 3B NETlogtm.

Observaciones :

Conectamos la salida del interfaz al puerto USB de la PC ,encendemos el interfaz , y ahora el control será por software .

4. Configure el sensor a modo de entrada a DC y rango de entrada en 200mA.5. Pulsar el botón Entradas Ok.6. Para la toma de datos configurar el intervalo en 500 μs, y 1000 datos.7. Pulsar Iniciar y, apenas se tenga la medición en marcha….dejar caer el imán a

través del tubo .Guarde sus datos.

8. Repita el paso 7, invirtiendo la polaridad del imán .guarde sus datos.

Observaciones :

La grafica adjunta representa una función amortiguada , cuando soltamos el iman (con el norte abajo .Escogido arbitrariamente ), dentro del tubo que en su rebestimiento tiene seis bobinados . en la figura aparecen también 6 oscilaciones que es la corriente inucida en cada bobina .

Observaciones:

La grafica adjunta representa Cuando el iman cae en el interior del tubo , inmediatamente después del anterior experimento, solo que esta vez

Observaciones :

Los parámetros que se añadió a la computadora son :

500ms y 10000 datos

Figura 1

Repetimos la experiencia con un iman de mayor longitud

Transformador

Observaciones:

La grafica adjunta representa Cuando el iman cae en el interior del tubo , inmediatamente después del anterior experimento, solo que esta vez

Observaciones

La figura ajunta ,representa cuando el iman mas largo cae e norte , por el tubo rebestido de bobinas .

Como el iman tiene mayor dimensión , entonces es mas intenso su campo magnético , por lo tanto mayor numero de líneas ingresa a la espira y rápidamente se induce corriente .

Observaciones :

De la figura adjunta representa ,la caída del iman cuando cae de sur, por el tubo rebestido de solenoide . Es muy notorio la diferencia y el tiempo es mas prolongado , esto se asocia a la mayor longitud del iman.

Tambien existe una inversión de inicio ,que esta relacionado con que polaridad cae el iman. Y el sentido de la corriente inducida en la bobina

Figura 2

Figura 3

Figura 4

9. 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 DC y rango de entrada 20 V.

10. Encienda la PC, configure el intervalo de tiempo a 200 microsegundos y número de datos d 500.

11. Pulse iniciar para realizar una medida con fuente apagada.

Se obtuvo la siguiente figura con fuente apagada :

12. Anote el número de espiras de las bobinas y el voltaje mas el primario, encienda la fuente del transformador.

Observaciones :

Cuando esta apagado el transformador presenta una señal muy tenue , un ruido eléctrico , esto indica que

apagado, el nucleo concentra el campo magnético , debido

a la contaminación electromagnética del

ambiente.

Figura 5

En un transformador reductor la resistencia eléctrica en el bobinado secundario es baja (200Ω),a comparación con la resistencia eléctrica en el primario (Ley de Poulliet), lo cual nos ayudaría a diferenciar del primario y el secundario.

13. Pulse restablecer, luego iniciar, realice ajuste de curvas y guarde sus datos.

Se obtiene la señal sinusoidal en la salida :

14. Cambie el sensor de voltaje a 30 espiras, pulse restablecer, luego pulse iniciar, realice el ajusté de curvas y guarde sus datos.

Numero de bobinas en el primario : 600

Numero de bobinas en el secundario : 6 Bobinas

Observaciones :

La señal 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

Se obtiene la siguiente grafica de la señal en el bobinado secundario :

15- Luego con el sensor colocado, movemos el iman axialmente al centro de la bobina fija

Para este segundo caso , cambiamos la segunda bobina del secundario a 30 bobinas,

Con 600 espiras en el secundario

Figura 7

y la grafica obtenida es :

16 – Analogamente con el sensor colocado ahora movemos la bobina axialmente sobre el

iman fijo , la grafica obtenida es la siguiente :

Datos experimentales

Figura 8

Figura 9

1. De acuerdo a los datos obtenidos en los pasos del 1 al 8 del procedimiento. Explique las variaciones de corriente, considere que el imán cae aceleradamente. ¿que sucede con la polaridad del imán?

Al iniciar el experimento , cae de norte la barra de iman , la primera espira interactua con un campo magnético tenue , pero debido a la acción de la gravedad el tiempo de caída se vuelve mas pequeño ,lo cual según la ley de Faraday ,se incrementa considerablemente la tensión inducida ,esta tensión se incrementa conforma avanza en su caída libre el iman , por eso en la grafica se nota unas oscilaciones de amplitud creciente y también 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 oscilación 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 esta definido , la única manera de que pierda sus propiedades magnéticas es por medio de golpes y exponerlo a temperaturas elevadas.

¿Que ocurrirá con la corriente inducida si en vez del imán usado en el experimento, utilizamos imanes más intensos o más débiles?

Al utilizar imanes más intensos la corriente inducida aumenta (Debido a que mas líneas de flujo atraviesan la superficie de la espira ) , el periodo se mantiene constante mientras que al someter un imán de campo más débil la intensidad de la corriente disminuye.

2. ¿Cómo varia la corriente inducida si se hace pasar por lenta o muy rápidamente el imán por la bobina, a velocidad constante?

La intensidad de la corriente inducida en una bobina,cuando un imán pasa con una mayor velocidad ,es de mayor intensidad ,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 crecerá de manera proporcional a su velocidad .

3. Con los datos medido en el paso 12 complete la siguiente tabla :

Vrms Np Ns

216 600 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 teórica del transformador

E% = (Vs experi – Vsteo)/Vsteo*100% = 0.045 %

Con sus datos calculados de Vrms del secundario y sus datos de la tabla .verifique la valides de la ecuación Entonces el Vp experimental se aproxima al Vp teórico por lo que cumple la ecuación

4. Determinar la frecuencia de a fem inducida y compare con la frecuencia de la bobina primaria (60 Hz)

La frecuencia de la fem inducida es:

5. De los datos obtenidos en el paso 14 del procedimiento. escriba el voltaje ajustado para el secundario

Vrms Np Ns220 600 30

Calcule el voltaje eficaz del secundario:Determine el error porcentual del valor eficaz calculado respecto a la salida teórica del transformador

Vs experimental = 11

=> ( Vs teo – Vs experi )* 100 %/Vs teor = 0.8127

Con los datos calculados de Vrms del secundario y sus datos de la tabla .verificar la

validez de la ecuación

=> Vp = 218.21

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 señal (figura 5 ),esta señal 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 teoricp de

tension en el secundario

Valor eficaz experimentalde tension en

el secundario

Eficiencia del transformador frecuencia

Transformador de 600 a 6

2.2V ef 2.75±0.08/1.41 =1.94Vef 88.18 % 59.93 Hz

Transformador de 600 a 30

11 Vef 14.81±0.06/1.41=10.51Vef

95.8% 59.9Hz

Analizando en el transformadores de 600/6 ( Fig6 y Fig 7). Una eficiencia del 80.18% .esta diferencia lo podemos asociar porperdidas en el nucleo ,por la reluctancia del material . la resistencia de los bobinados,y tambien a la incertidumbre del instrumento ,como la mala ergonomia al momento de colocar el sensor.

En el caso del otro transformador ,manifiesta una perdida de energia , esta perdida de energia se debe a la energia acumulada por el bobinado del primario y del secundario debido 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 nuestra experiencia es tolerable, ya que no manipulamos variables criticas, sin embargo esta caracteristica puede ser determinante cuando se trabaja en equipos mas sensibles , como el caso de equipos biomedicos. O cuando deseamos hacer alguna investigacion especifica donde involucra esta señal . es por eso que en la actualida se usan los estabilizadores, porque garantiza una señal de la red optima .

Con respecto a la figura 7 y figura 8 , en la experiencia cuando realizamos un movimiento axial del iman hacia el transformador , se cumple la ley de lenz .

Al acercar el iman al bobinado el flujo en las espìras del bobinado aumentan, entonces se induce una corriente electrica en opocicion al flujo que se incrementa, deacierdo a la regla de la mano derecha . la corriente tiene una polaridad incial .

Pero cuando alejamos el iman, el flujo se atenua , entonces la corriente inducida en las espiras de la bobina es tal que tiene un sentido a favor del flujo decreciente , (aplicando la regla de la mano derecha), por tal efecto la polaridad se cambia , es por eso que en la grafica (Fig 8), figura una inversion de fase.

Analogamente cuando mantenemos el iman fijamente y aproximamos la parte hueca del bobinado al iman . se induce una fem . la explicacion es la misma, se cumple la ley de lenz. Ahora si realizamos estos movimientos de maneras mas rapidas la fem es mayor , la explicacion nos las da la Ley de faraday

Una aplicación de este flujo variante, es en las alas de los aviones ,cuando termina un vuelo , en sus alas se induce fem , debido a que interactua con el campo magnetico terretres , y esta carga estatica puede ser agente de ignicion a los almacenes de combustible .

Cuestionario

1. Explique el funcionamiento de los generadores de corriente que transforman energía mecánica en energía eléctrica

Generadores de Corriente alterna

La mayor parte de la energia electrica utilizada actualmente se produce mediante generadores electricos en forma de corriente alterna (ca),Un simple generador de corriente alterna esta formado por una espira en rotacion dentro de un campo magnetico uniforme :

Los extremos de la espira estan conectados a unos anillos deslizantes que giran con la espira. El contacto eléctrico con la espira se realiza mediante escobillas estacionarias de grafito en contacto con los anillos cuando la línea perpendicular al plano de la espira forma un angulo θ. Con un campo magnético uniforme B ,el flujo de la espira es :

Siendo N el numero de vueltas de la bobina y A el área de la misma .Cuando la bobina gira mecánicamente, el flujo a su travez cambia con el tiempo y según la Ley de Faraday , se inducirá en la bobina una fem,Si el angulo inicial es α, al cabo de cierto tiempo t el angulo será :

En donde W es la frecuencia angular de rotación .sustituyendo esta expresión de θ

La fem en la bobina será , por tanto

Existen mecanismos que hacen posible tomar la energía potencial de la caída del agua ,la combustión y transmitir este movimiento a las espiras que se moverán en el campo magnético uniforme .y de esta forma generar una tensión alterna , dentro de estos tenemos un gran espectro de clacificaciones , lo mas resaltante son :

En la figura adyacente se muestra un grupo

electrógeno , que mueve un generador eléctrico a travez de un motor de combustión

interna , en la parte inferior se muestan las características

técnicas

Conclusiones

La ley de Lenz sólo se cumple en circuitos cerrados en donde exista un movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor, demostrando que la f.e.m. y la corriente inducidas tienen un sentido tal que tienden a oponerse a la variación que las origina

La fem inducida en un circuito cerrado es inversamente proporcional al tiempo en que es expuesto en un campo magnetico .

Los elementos diamagnéticos atenúan los efectos de un campo magnético externo, este proceso se denomina “Apantallado”; elementos diamagnéticos como el bismuto ,cobre ,bronce , azufre ,silicio ,germanio y gases nobles.

Para proteger equipos que controlan variables sensibles, equipos biomédicos por ejemplo, es imprecindible el apantallado, para aislar magnéticamente.

La relacion de transformación es inversa en caso de las corrientes ,y la frecuencia de red se altera con un valor muy infimo ( orden de las decimas ) en el secundario .esto se debe a la inductancia en los bobinado, que genera un desfase de manera implícitaa la señal de red .

Los transformadores estudiados en laboratorio proporcionan un aislamiento característico, idóneo para aislar distintas etapas, (por ejemplo el circuito de control y circuito de potencia ).

La tensión en el secundario ,en vacio ,es mayor a comparación con el bobinado secundario 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 el cobre , la corriente e Folcaut ,la reluctancia que presenta el nucleo de hierro y el flujo de dispersion debido a que generan autoinductancia en el bobinado primario y secundario

Conociendo el funcionamiento y componentes del Transformador, es de granimportancia realizar una metodología de pruebas para Transformadorespara evitar pérdidas, fallas en el equipo y en sistemas eléctricos, pues así aseguramos un correcto funcionamiento y una larga vida útil para los mismos,ya que de nada sirve colocar una gran estructura y buenos cálculos cuando laparte operativa del Transformador no se encuentra en buen estado.

Concluyendo se pueden tener mejoras y grandes beneficios fortaleciendo eldesarrollo de técnicas sistematizadas, estableciendo pruebas que se realizan encampo para determinar la calidad de los materiales que componen alTransformador.

Recomendaciones y sugerencias

Al realizar el experimento se tuvo la dificultad de que el interfaz 3B Netlog, no sensaba la señal, a pesar que se colocaba en reset y cambiaba de puerto, lo sugiero una reparación de tal equipo.

Es necesario que al momento de realizar el experimento de Faraday, los celulares estén apagados porque genera ruido eléctrico en el laboratorio.

Bibliografía

Tipler | mosca , física para la ciencia y la tecnología 6 ° edición. Vol. 2

Física Universitaria Sears & Zemansky 12Ed - Vol 2

Electrostatica y Magnetismo , Humberto Leiva Naveros.