En la práctica de laboratorio se buscó demostrar experimentalmente la ley de inducción de Faraday

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RESUMEN

En la práctica de laboratorio se buscó demostrar experimentalmente la ley de inducción de Faraday, la cual consiste en la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables en el tiempo, lo que se conoce como una corriente inducida. Para demostrar la “ley de Faraday” se utilizó: un solenoide o bobina como se le conoce normalmente  de 1200 espiras, un galvanómetro y un imán.

Para el desarrollo de la experiencia se conectó el galvanómetro a la bobina de 1200 espiras y posteriormente el imán  se introdujo, por medio de la bobina,  por su polo sur a diferentes velocidades y se observó lo que sucedía en el tablero del galvanómetro; luego se repitió el experimento pero por el polo norte del imán y se observó el galvanómetro de nuevo y por último el imán quedo quieto y lo que se empezó a mover fue la bobina.

La ley de Lenz, plantea que el sentido de la corriente inducida seria tal que su flujo se opone a la causa que la produce. Para la demostración experimental de esta ley, se usó una bobina de 1200 espiras conectada a un interruptor de corriente alterna de 120 voltios en promedio, con un núcleo de hierro en su interior. Y se le colocaron diferentes objetos, uno a la vez al núcleo para posteriormente observar lo que sucedía.

El primer objeto fue un aro de aluminio cerrado; el segundo un aro circular de cobre no cerrado; el tercer objeto un cuadrado de cobre y por ultimo un aro con una cóncavo con un poco de agua.

En la demostración de los transformadores, primero usamos bobinas con un determinado número de espiras por donde entra la corriente y otro diferente por donde sale la misma. Determinando así si es un transformador  reductor o elevador además de las bobina se utilizó un generador y un multímetro. También se desarrolló con transformadores la formación de un arco de fuego con un transformador elevador en el cual al principio se genera una chispa entre 2 varilla casi juntas y al irse separando se crea el arco, efecto del campo magnético (B) con un transformador reductor   sobre un aro cóncavo con agua

la cual llega a su punto de ebullición y soldador de punto con un transformador reductor en donde con un núcleo de hierro de presiona un papel aluminio instantáneamente y queda pegado.

RECOPILACIÓN DE DATOS

Tabla 1.1. transformadores elevadores y reductores de voltaje (Cal= calculado y med = medido)

Tabla 1.2. Aplicaciones de transformadores elevadores y reductores de voltaje (Cal= calculado y med = medido)

RESULTADOS Y ANÁLISIS DEL EXPERIMENTO

1. Ley de Faraday :

[pic 2]

ξ = - N dΦB                   Ecuación de la ley de Faraday (1).

                                       dt

Cuando se introdujo el imán en el solenoide por el polo sur del mismo, se observó que el galvanómetro tiene un movimiento hacia la derecha dicho en otras palabras la aguja se deflecta cuando se percibe movimiento en el interior de la bobina. Sucede algo similar cuando el polo norte del imán es el que se introduce en el solenoide pero la dirección en que se deflecta la aguja del galvanómetro es contraria es decir hacia la izquierda, si se deja inmóvil el imán y lo que se mueve ahora es la bobina el galvanómetro sigue registrando paso de corriente eléctrica por el circuito, si se introduce el imán y se para el movimiento pero adicionalmente tampoco se mueve el solenoide no se percibe una deflexión  de la aguja del galvanómetro es decir no hay corriente eléctrica.

Entonces se llega a la conclusión del experimento que cuando se presenta movimiento en la aguja del galvanómetro es que se está ante la presencia de una corriente eléctrica y se ve que el campo inducido es opuesto al que lo genera, que mientras hay movimiento ya sea del imán por cualquiera de sus polos por dentro de la bobina  o del solenoide con el imán inmóvil dentro hay un flujo de corriente y que cuando no hay movimiento no hay flujo de corriente. Por lo que se llega a la formulación de que hay una corriente inducida creada por un campo magnético variable en el tiempo y que la intensidad de la corriente depende de la velocidad con que varía el flujo que atraviesa el solenoide.

1. Ley de Lenz:

Para observar la ley de Lenz,  la cual afirma que las tensiones y voltajes sobre un conductor y los campos eléctricos asociados son de un sentido tal que se oponen a la variación del flujo magnético que las induce.

La primera experiencia para demostrar esta ley fue colocando un aro de aluminio sobre el núcleo de hierro que a su vez está rodeado por un solenoide de 1200 espiras, y se observó como el campo magnético actúa sobre el aro cerrado de aluminio elevándolo de la superficie de la bobina y manteniéndolo ahí por el tiempo en que la bobina esta conectada a la corriente alterna que es variable en el tiempo.

[pic 3]

Seguidamente se cambia el aro por uno de cobre que no está cerrado y por uno cuadrado, y como resultado se obtiene que le aro no se eleva como sucedió con el anterior cuando se conectaba el solenoide a la corriente puesto gracias a la fisura en el aro se produce un rompimiento del campo magnético inducido en él, impidiéndole elevarse, mientras que con la figura cuadrada de cobre se observó que experimenta una fuerza de mayor magnitud que con los demás, entonces se dedujo que la forma y el material se comportan diferente cuando están bajo la influencia de un campo eléctrico.

[pic 4]

[pic 5]

Y para demostrar que realmente hay un campo magnético en oposición al campo eléctrico generado por la corriente alterna se colocó un arco cóncavo con cierto nivel de agua  y se ve como el agua comienza a burbujear como si fuera a llegar a su punto de ebullición. Lo que demuestra la existencia del campo magnético.

[pic 6]

1. Transformadores:

El transformador es un núcleo cerrado de hierro con 2 bobinas o solenoides, a través del cual dependiendo del tipo de transformador (elevador o reductor) se puede aumentar o disminuir el voltaje y la intensidad de corriente alterna de una forma que se conserva la energía. Para determinar si el transformador es elevador o reductor despejamos e igualamos en la ecuación de Faraday (1) el solenoide primario y secundario, así:

ξ1 = - N1  dΦB      y         ξ2 = - N2  dΦB

              dt                                   dt

ξ1     =    ξ2

N1              N2

[pic 7]

ξ2  =  ξ1  N2

            N1

Donde,    ξ      = Voltaje inducido.

                 N    = Número de espiras

              dΦB   = Variación del campo magnético en el tiempo.

                     dt

Si el número de espiras de la bobina secundaria es mayor que el de la primaria es un transformador elevador y si por el contrario las espiras de la bobina secundaria es menor que el de la primaria el transformador es reductor.

Para determinar la corriente que sale de un transformador dejamos el campo magnético constante y tenemos un potencial constante también.

E = Cte.

P = Cte. 

P1 = P2

ξ 1I1 = ξ2I2

ξ 1I1 = ξ1  N2  I2

          N1

[pic 8]

I2 = I1  N1 

           N2

APLICACIÓN DEL EXPERIMENTO

El motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas en las cuales lo que se hace es girar un electroimán (el rotor) en el interior del campo magnético creado por otros electroimanes (el estator). Haciendo que por el rotor circule una corriente alterna se puede conseguir una rotación continuada.

[pic 9]