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FÍSICA IV: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
GUIA DE LABORATORIO: ESTUDIO DEL CAMPO MAGNETICO
OBJETO DE LA EXPERIENCIA:
Estudio de la intensidad del campo magnético en función de la posición y de la corriente eléctrica.
METODOLOGIA:
Consiste en colocar un sensor de campo magnético en el eje central del campo creado por un
imán permanente y registrar la variación de intensidad de campo magnético en función de la
distancia entre el sensor y el imán. De modo similar, se introduce el sensor en el interior de
una solenoide y se registra la intensidad del campo en función de la corriente que circula por el
mismo.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS:
Las primeras observaciones sobre campos magnéticos creados por corriente eléctricas fueron realizadas por Oersted, quien descubrió que cuando se sitúa una brújula debajo
de un conductor rectilíneo por el que circula una corriente eléctrica, la aguja de la misma se
ubica con su eje perpendicular a la dirección del conductor. Experimentos posteriores realizados por Biot y Savart y por Ampere, llevaron a deducir la relación existente entre la intensidad del campo en un punto y la distancia del mismo a la fuente del campo.
B
1
r2
[1]
De igual modo, cuando la fuente del campo magnético es un circuito por el que circula una corriente de intensidad I, estas experiencias permitieron establecer la dependencia
entre la intensidad del campo y la intensidad de la corriente que lo genera:
BI
[2]
Dado que la corriente eléctrica no es nada más que cargas en movimiento, consideremos primero el campo magnético producido por una sola carga puntual en movimiento.
La figura muestra una carga puntual
Positiva q, moviéndose con una velocidad v
Relativa al observador. Los vectores B
Representan la dirección y magnitud relativa del campo creado por la partícula en
diferentes puntos alrededor de ella. En cada
punto, el P, por ejemplo, el vector B es
perpendicular al vector velocidad v, y a su
ves, es perpendicular al plano determinado
por los vectores v, y r, distancia de la carga
al punto P.
Experimentalmente se encuentra que el vector intensidad de campo magnético B en
cualquier punto es:
qv  r
B  k` 2
r
[3]
De manera similar, el campo magnético en cualquier punto producido por la corriente
en un circuito es el resultante (suma vectorial) de los campos debidos a los portadores de
carga en movimiento en el circuito. Si dividimos imaginariamente al circuito en elementos
cortos de longitud dl, la carga total en movimiento dentro del elemento viene expresada por:
dQ  nqAdl
con
[4]
n = número de portadores de carga por unidad de volumen.
q = carga de cada portador
A = sección transversal del conductor
dl = longitud del elemento
Así, las cargas móviles son equivalentes a una sola carga de magnitud dQ, moviéndose con
la velocidad de deriva v, por lo tanto
dQv  r
nqvAdl  r
Idl  r
dB  k `
 k`
 k` 2
2
2
r
r
r
[5]
denominada Ley de Biot y Savart
Se puede ver entonces la dependencia funcional de la expresión de la intensidad de campo
magnético con la distancia al punto de cálculo y con la intensidad de la corriente que lo produce, corroborando en forma rigurosa y completa las ec.[1] y [2].
MATERIALES UTILIZADOS:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Interface SCIENCE WORKSHOP
Computadora
Amplificador de potencia
Bobina.
Imán.
Sensor de campo magnético.
Cables de conexión.
Regla graduada.
CONSIDERACIONES EXPERIMENTALES:
Para ambas experiencias se trabajará con
el sistema de adquisición de datos PASCO,
por tanto proceda de la siguiente manera
(la fig.1. muestra el esquema utilizado):
Fig.1
1. Conecte la interface y el amplificador de potencia a la red de alimentación
de 220
V.
2. Conecte la interface SCIENCE WORKSHOP a la computadora.
3.
4.
5.
6.
7.
Encienda la interface, amplificador y luego la computadora.
Inserte la conexión del amplificador de potencia en el canal analógico A.
Conecte el sensor de campo magnético al canal analógico B.
Haga doble clic en el icono SCIENCE WORKSHOP para correr el programa.
En FILE (Menú Principal) seleccione OPEN (Abrir) y abra el documento
“P61_CMAG.SWS” que se encuentra en el directorio indicado en la Fig.2. El documento se abrirá mostrando una gráfica con campo magnético (Gauss) en función de corriente (A), una ventana del generador de señal que controla el amplificador de potencia y una ventana para la lectura digital del sensor de campo
magnético (Fig.3). El generador de señal alimentará a la bobina con tensión continua, la que variaremos para poder visualizar en el gráfico, el efecto de la corriente en la intensidad del campo.
Fig.2
Fig.3
Lectura de
Intensidad
de campo
magnético
Control de tensión de alimentación sobre la bobina
TÉCNICA OPERATORIA:
Dependencia del campo con la intensidad:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Con los cables de conexión conecte la bobina al generador de señal (Fig.4.)
Presionando el selector de modo en la parte frontal del sensor de campo magnético, seleccione hasta que se encienda el LED correspondiente a opción “Axial”.
Con el ratón, haga clic en el botón “REC” para poner a cero el sensor y comenzar las
mediciones (se abrirá una nueva ventana
Fig.4
de dialogo (fg.5) que se utilizará para
realizar las lecturas)
Puesta a cero del sensor: aleje el sensor
de la bobina y presione el botón de “Zero”
en la parte frontal del sensor de campo
magnético. Bajo estas condiciones, se debe
verificar que la indicación correspondiente
a intensidad de campo oscile levemente
alrededor de cero.
Relevamiento de datos: Introduzca el extremo de la punta sensora en el interior de la
bobina de forma que esta quede en el eje de la bobina y en el medio de la misma (fig.4).
Varíe la tensión de alimentación sobre la bobina (Fig.3) de 1V a 10V con saltos de 0.5V.
Para cada valor, haga clic con el ratón sobre el botón para captura de dato (Fig.5). Así,
el punto quedará registrado en el gráfico.
Una vez alcanzado los 10V, invierta la polaridad de los terminales en el generador de
señal.
Sin mover la punta sensora de su posición, repita los puntos 6 y 7 anteriores.
Finalice la toma de datos haciendo clic con el ratón sobre “Stop Sampling”.
Ajuste los ejes del gráfico a fin de visualizar todos los puntos e imprímalo.
Fig.5
Valor dedel
absciDependencia
campo con la distancia:
Botón para captura de dato
sa
Selector de variable
independiente
1. Cambio de variable independiente: Con el ratón, haga clic sobre el selector de
variable independiente (Fig.5). Al desplegarse la lista de opciones seleccione la opción de teclado (Fig.6.)
2. Con el ratón, haga clic en el botón “REC” para poner a cero el sensor y comenzar
las mediciones (se abrirá una nueva ventana de dialogo (fg.5) que se utilizará para
realizar las lecturas)
Fig.7.
Fig.6.
3. Puesta a cero del sensor: aleje el sensor de la bobina y presione el botón de
“Zero” en la parte frontal del sensor de campo magnético. Bajo estas condiciones,
se debe verificar que la indicación correspondiente a intensidad de campo oscile levemente alrededor de cero.
4. Relevamiento de datos: Ubique la punta sensora casi tocando el polo magnético.
(fig.7). Utilice la regla graduada para las lecturas de distancia.
5. Con el Ratón haga clic sobre el botón para captura de dato (Fig.5.)
6. Aleje el sensor de a 1cm de por vez hasta que la lectura se haga cero. Para cada
posición anote la distancia en el campo correspondiente a “valor de abscisa” (fig.5.)
y realice la captura de dato así, el punto quedará registrado en el gráfico.
7. Finalice la toma de datos haciendo clic con el ratón sobre “Stop Sampling”.
8. Ajuste los ejes del gráfico a fin de visualizar todos los puntos e imprímalo.
CUESTIONARIO:
1. Partiendo de la ec.[5], deduzca la expresión del campo en el interior de un solenoide.
2. Asumiendo que la bobina utilizada fuese de sección circular, cuál es la relación entre, la
pendiente de la recta obtenida experimentalmente, el número de vueltas de la bobina y su
radio.
3. Analizando la ecuación para el solenoide (deducida en el punto 1), se puede decir que esta
predice la misma pendiente y ordenada al origen para igual valor de corriente positiva o
negativa? Presente una discusión relacionando los resultados obtenidos.
BIBLIOGRAFÍA:




“Fundamentos de electricidad y magnetismo”, A. Kip.
“Electricidad y magnetismo”, Sears.
“University Physics”, Sears, Zemansky, Young.
“Curso Superior de Física Práctica” Tomo II, Worsnop, Flint – Ed. EudeBA .