Download Dispositivo experimental:

Práctica 3: Electromagnetismo
Se valorará: uso correcto de unidades, claridad y precisión en las respuestas.
Parte I: Experimento de Oersted
Objetivo de la práctica
Vamos a reconstruir el experimento de Hans Christian Oersted. Este investigador
observó, en 1819, que una aguja magnética podía ser desviada por el efecto de una
corriente eléctrica.
Este descubrimiento puso de manifiesto la existencia de una conexión entre la
electricidad y el magnetismo, hasta entonces tan distintos entre sí como la gravitación y
la electricidad. Las leyes que describen matemáticamente las interacciones magnéticas
fueron desarrolladas por André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por
los que circulan corrientes eléctricas
Material:
-
Una aguja de metal
Un trozo de esponja
Un imán
Un plato
Cable de cobre
Pila de Petaca
Actividades:
Para realizar esta experiencia primero hay que construir una
magnetizando una aguja o alfiler de acero. Hacedlo de 2 formas distintas:
brújula,
1. Frotando la aguja sobre uno de los polos del imán en una dirección y sentido
dados (separando la aguja después de frotar cada vez)
2. Enrollando tantas veces como podáis un cable de cobre sobre la aguja, y
conectando los dos extremos a los polos de la pila.
Hecho esto, se coloca la aguja magnetizada sobre un pequeño trozo de esponja que flota
sobre agua. Veréis que siempre se orientará en la misma dirección.
-
¿Hacia dónde apunta la aguja? ¿A qué se debe?
Se coloca el cable sobre el plato con la brújula y se cierra el circuito (o sea, conectando
los extremos a los polos de la pila).
-
¿Hacia dónde se orienta la brújula? ¿Qué ley física está actuando en este
momento? ¿Qué sucede si vamos girando el cable?
¿Qué pasa si cambiamos la polaridad del circuito?
¿Cómo podríamos hacer que la aguja se orientara más rápidamente?
Informe a presentar:
Responded razonadamente a las preguntas que se os formulan y explicad con detalle
(con dibujos esquemáticos) los resultados cualitativos que habéis obtenido.
Parte II: Ley de Faraday
Objetivo de la práctica
Entender el fenómeno conocido como Ley de Faraday, que consiste en el hecho de que
un cambio en el flujo magnético induce una corriente eléctrica. Para ello, crearemos un
flujo sobre una bobina con un imán. Al mover el imán el flujo cambia, y se induce una
corriente que podemos medir con un amperímetro.
Dispositivo experimental:
Con una bobina, un amperímetro y un imán se realizan las siguientes experiencias:
1. Se sitúa el imán en reposo dentro del solenoide.
2. Se introduce despacio/deprisa el imán en el
solenoide.
3. Se saca despacio/deprisa el imán del solenoide.
Se observa el movimiento de la aguja del
amperímetro
Se aplica la ley de Lenz, para determinar el sentido
de la corriente inducida.
Para simular la experiencia, emplearemos una bobina de N espiras apretadas, de radio R,
que es atravesada por un imán, tal como se muestra en la figura. El imán se mueve con
velocidad constante v dirigiéndose hacia el centro de la bobina, en dirección
perpendicular al plano de la ésta.
Situemos los ejes x,y en el plano de la bobina, y el z a lo largo de la recta seguida por el
imán.
Base teórica
Un cálculo estándar de electromagnetismo permite estimar el campo magnético
producido por el imán en cualquier punto del espacio. O sea, permite calcular

B ( x, y, z ) . No necesitaremos aquí su fórmula exacta, sino saber que, al conocerla,
podemos calcular el flujo a través de la bobina, ya que en general,
La lógica es: al acercar/alejar el imán a/de la bobina, el campo magnético que crea
cambia y, por tanto, cambia el flujo. Finalmente, conocido el flujo  , podemos obtener
la f.e.m. inducida. La fórmula final resulta ser
donde: 0=4π·10-7 N A-2; m es el momento magnético del imán; L es su longitud; N es
el número de espiras que forman la bobina; R es el radio de la bobina; y ẑ es un vector
unitario en la dirección del eje z.
Esta ecuación permite obtener el potencial inducido en la bobina como función de la
posición z en la que se encuentra el imán, y su velocidad v.
Tarea a realizar en la práctica
1. Id a la página web:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/fem/fem.htm#Simulaci%F3n%20de%20l
a%20experiencia
Debéis anotar todos los valores para las constantes que aparecen en nuestra fórmula
para la f.e.m. que utilizan en esta página (número de espiras, momento magnético, etc.).
2. Entended qué hace exactamente el applet al final de la página. Fijad un radio de la
bobina (y anotad su valor). Haced correr la simulación para 10 valores diferentes de
la velocidad del imán, y anotad el valor máximo que adquiere la f.e.m. para cada
velocidad. Poned estos valores en una gráfica f.e.m. versus velocidad. ¿Qué tipo de
relación obtenéis? ¿Concuerda con lo que predice la fórmula para la f.e.m.?
3. Responded razonadamente a las siguientes preguntas:
3.a. ¿Cuánto valdría la f.e.m. si las espiras tuvieran un radio infinito? ¿Y si tuvieran
radio cero? Si lo que se pretende es inducir la máxima corriente posible, se debe fijar el
radio de la bobina a un cierto valor (considerando fijos el resto de parámetros). ¿Qué
ecuación determina este valor? Basta con que encontréis la ecuación, no hace falta
resolverla.
3.b. La corriente que llega a nuestras casas es alterna y su producción se basa en el
principio estudiado aquí. ¿Cómo se conseguiría generar corriente alterna con el
dispositivo experimental que habéis considerado?
3.c. ¿Cómo cambiarían los resultados si la recta seguida por el imán estuviera contenida
en el plano de la bobina?
Informe a presentar:
El informe debe contener una breve introducción a la práctica: qué objetivo tiene, y
cómo se va a proceder. Debe contener esquemas donde aparezcan la magnitudes con las
que se trabajará. En una sección separada, incluir los datos medidos. En otra sección,
un estudio de los datos (la gráfica y su discusión), y las respuestas a las preguntas
conceptuales del punto 3.