Fuerza Magnetica

3. FUERZA MAGNETICA

OBJETIVOS

Comprobar el efecto de un campo magnético sobre una corriente eléctrica.

Verificar la relación de la fuerza magnética con la corriente y con la inducción magnética.

Verificar la relación entre la inducción magnética en el centro de un solenoide y la corriente que lo atraviesa.

JUSTIFICACIÓN

El experimento se lo realiza para evidenciar la presencia del campo magnético traducido como ya sabemos en la fuerza eléctrica influenciada o inducida por este para ello se realizan dos variaciones:

Manteniendo el campo constante

Manteniendo la corriente constante

VARIABLES

Las variables en el experimento son:

La fuerza experimental y el campo experimental

La corriente que inducirá el campo magnético de la fuerza que equilibra los contrapesos en el soporte.

LÍMITES Y ALACANCES DEL EXPERIMENTO

Para cumplir los objetivos de este experimento se tiene una fuente que nos proporcionara la corriente y el solenoide donde pondremos la plaqueta, sin embargo los contrapesos son de naturaleza indefinida, es decir poseen distintos tamaños y distintas masas.

Este factor hace difícil ser precisos en los cálculos, frente a campos como los de la práctica, se sugeriría estandarizar los contrapesos, para el cálculo de la masa de estos

FUNDAMENTO TEÓRICO

Un campo magnético ejerce una fuerza sobre una carga eléctrica en movimiento; entonces, también lo hará sobre un conductor que lleva una corriente eléctrica, ya que ésta es, en esencia, un conjunto de cargas en movimiento.

Figura 1.

Considérese la Figura 1; en ella se representa un conductor rectilíneo de longitud l por el que circula una corriente i, constituida por cargas que se mueven con velocidad v. El conductor se encuentra dentro de un campo magnético de inducción B; por tanto, sobre cada carga, o portador de corriente, se ejerce una fuerza dada por:

F_q=qv x B (1)

Entonces, la fuerza sobre el conductor (que contiene N portadores) es:

F=Nqv x B (2)

o bien,

F=N q l/t x B= (N q)/t l x B (3)

Nq/t es la corriente que circula por el conductor; por tanto, la fuerza sobre éste resulta

F=i l x B (4)

A l se le asigna el sentido de i y este último se toma, por convención, igual al sentido en que se moverían los portadores si tuvieran carga positiva; aunque, en los buenos conductores metálicos, los portadores son negativos (electrones). En todo caso, la ecuación (4) es independiente de la polaridad de los portadores.

Si l y B fueran perpendiculares, F tendría una magnitud.

Para el estudio experimental de este tema, se necesita establecer un campo magnético y una corriente eléctrica, de manera de poder estudiar su interacción; esto puede hacerse con un arreglo como el mostrado en la Figura 2

Figura 2.

La fuente 1 entrega la corriente iB que circula por el solenoide y establece un campo magnético en el interior de este dispositivo. El medidor 1 muestra el valor de iB.

Teóricamente, el módulo de la inducción magnética, en el centro del solenoide, está dado por

B_teo=(μ_0 Ni_B)/√(L^2+D^2 ) (6)

donde N es el número de vueltas del solenoide, L su longitud y D su diámetro. Si el solenoide tiene varias capas de alambre, puede tomarse como D el promedio de los diámetros externo e interno.

La fuente 2 entrega la corriente i que circula por los bordes de la plaqueta que tienen material conductor. Esta corriente se somete a la acción del campo magnético en el interior del solenoide (que se asume uniforme y con una inducción magnética de módulo dado por la ecuación (6). El medidor 2 muestra el valor de i.

La plaqueta funciona como una balanza. Los contrapesos colocados en el extremo que queda fuera del solenoide producen allí una fuerza gravitacional dirigida hacia abajo; en el otro extremo de la plaqueta, que queda en el centro del solenoide, se produce una fuerza de origen magnético debida a la corriente i ya la inducción magnética del solenoide, B; esta fuerza también está dirigida hacia abajo y su módulo está dado por la ecuación (5) donde l es la longitud media del conductor del lado menor de la plaqueta. Si en estas condiciones la plaqueta está en equilibrio, la fuerza magnética es igual a la fuerza

gravitacional; luego, el valor experimental de la fuerza magnética puede determinarse mediante

F_exp=N_C W= N_C mg (7)

donde N_C es el número de los contrapesos colocados (cada uno de peso W y masa m.

Con lo anterior, el valor experimental de B puede ser determinado rápidamente mediante:

B_exp=F_exp/(i l)=(N_C mg)/(i l) (8)

EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS

CANTIDAD EQUIPO

2 Fuentes

2 Multímetros

1 Plaqueta

1 Reóstato

1 Soporte de contacto

300 Contrapesos

1 Solenoide

4 Cables de contacto

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Montar el arreglo de la Figura 2 manteniendo inicialmente apagadas las fuentes de voltaje. En los medidores 1 y 2 (usados como amperímetros de corriente continua) el selector de medida debe colocarse en la posición 20A y el selector DCA/ACA, en DCA. Verificar teóricamente que las polaridades de las fuentes son tales que la fuerza magnética sobre la parte de la plaqueta que queda dentro del solenoide, será hacia abajo.

Conseguir el equilibrio inicial de la plaqueta utilizando, si fuera necesario, contrapesos que pueden ubicarse en cualquier lugar de la misma y que posteriormente no serán tomados en cuenta. El conductor de la plaqueta sobre el que se ejercerá la fuerza magnética debe quedar ubicado en el centro del solenoide. Usar una regla colocada verticalmente detrás de la plaqueta para verificar el equilibrio en los pasos posteriores.

• B constante.

Llenar la Tabla 1 de la Hoja de Datos de acuerdo con los siguientes cuatro puntos.

Hacer circular por el solenoide una corriente de aproximadamente 2[A] (iB constante).

Colocar un contrapeso en el extremo de la plaqueta que queda fuera del solenoide, como se muestra en la Figura 2; con esto, la plaqueta se desequilibrará.

Incrementar la corriente por la plaqueta, i, hasta

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