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CONSULTA Nº 3 LABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
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Consulta Nº 3 Laboratorio de Fundamentos de Electricidad y
Magnetismo: “Leyes de Lenz y Faraday”
Germán Darío Martínez Carvajal (244649), Julio César Chinchilla Guarín (223141), Diego Mauricio Ramos
Remolina (244687) y Cristian Camilo Ruiz Vásquez (244699)
Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá
Mayo 7 de 2010
Esta vez se observaron en el laboratorio varios fenómenos producidos por campos magnéticos y su interacción con
distintos materiales, como fuente del campo magnético se uso un electroimán muy poderoso que proporcionaba un campo
suficiente para hacer apreciables dichos fenómenos; Inicialmente se identifico la orientación de las líneas de campo
magnético por medio de materiales que eran afectados por el mismo, luego se observó lo que podía hacer una corriente
generada por un electroimán como este y los factores que influyen en la misma, adicionalmente se observaron fenómenos
correspondientes a la aparición de una fuerza gracias a el campo magnético, a demás se prestó una mayor importancia a
la aparición de una corriente eléctrica a través de un solenoide atravesado por un campo magnético, se estudió cual era la
relación entre el campo magnético y que características debía cumplir para inducir una corriente eléctrica en la bobina.
Durante la práctica de laboratorio fueron ampliamente mencionados y de vital importancia conceptos como el fenómeno
de inducción eléctrica (Ley de Faraday) y la ley de Lenz que explican en gran medida la mayoría de los comportamientos
observados en clase, en este informe se dará un breve resumen a acerca de dichos conceptos y se explicarán la mayoría de
los fenómenos observados en clase.
Índice de Términos—Ley de Lenz, ley de Faraday, fem, Ley de Lorentz, Ley de Ampere, líneas de campo magnético,
materiales ferro y paramagnéticos.
I. FUNDAMENTACIÓN
L
OS EXPERIMENTOS DESARROLLADOS EN EL
LABORATORIO se pueden explicar en general por medio
de los principios de las leyes de Faraday, Lenz y
Ampere, además es importante tener conocimiento del
funcionamiento de un electroimán, por cual a
continuación se hará una breve explicación de estas
teorías para luego aplicarlas al análisis de cada
experimento hecho en el laboratorio.
Un electroimán se basa en el principio que una carga
en movimiento genera un campo magnético, que para
este caso sería que una corriente –lo mismo que un flujo
de cargas –genera un campo magnético. Se sabe que las
líneas del campo magnético generado por un solenoide
por el que pasa corriente tienen el mismo
comportamiento que las generadas por un imán de barra,
es decir que el solenoide tiene un polo norte y otro sur y
sus líneas de campo magnético van de sur a norte por
fuera y de norte a sur por dentro (figura 1). El anterior
principio se aplica a los electroimanes.
Figura 1. Líneas de campo magnético en un solenoide.
Un electroimán usualmente se compone de un
solenoide y de un núcleo de material ferromagnético en
su interior, usualmente hierro (figura 2). A medida que
circule corriente por el solenoide, se generará un campo
magnético. Por la influencia del campo magnético el
núcleo se magnetiza, aumentando ampliamente la
intensidad del campo magnético, es decir que el objetivo
del núcleo es aumentar la intensidad de campo
magnético, lo anterior hace de este dispositivo un imán
bastante potente capaz de ejercer fuerzas sobre otros
electroimanes, imanes y materiales compuestos de
hierro. A medida que varíe la corriente que circula por el
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solenoide, también lo hará la fuerza que pueda ejercer el
electroimán y si dicha corriente desaparece, entonces
también lo hará el campo magnético y por ende la fuerza
magnética se irá, la ecuación 1 describe lo anteriormente
dicho.
Figura 2. Electroimán.
F = (0N2I2A)/(2L2)
Ecuación 1. Fuerza magnética. (N=número de espiras,
I=corriente en amperios, L=longitud del alambre,
A=área de las caras de los polos en m2, B=campo
magnético en teslas, 0=permeabilidad magnética del
espacio libre)
En la ecuación 1 se observa que la fuerza magnética
del electroimán depende de la corriente que por él se
circule y se relacionan proporcionalmente de manera
directa.
Como podemos ver, el funcionamiento de un
electroimán tiene fundamentación en la ley de Faraday,
la cual se explicará en detalle a continuación.
En 1930 Michael Faraday concluyó ciertos
comportamientos cuando estudio el efecto de un campo
magnético en un circuito cerrado. Siempre y cuando el
campo magnético variara en el tiempo, entonces sobre el
circuito de induciría una fuerza electromotriz que haría
desplazar cargas en el circuito generando una corriente.
Tanto la fuerza electromotriz con la corriente generadas
por esta variación se denominan inducidas, y como tal al
fenómeno se le denomina inducción electromagnética
[1]. Como dato curioso, la inducción electromagnética
fue descubierta casi simultáneamente y de forma
independiente por Michael Faraday (Inglés) y Joseph
Henry (Estadounidense) en el mismo año. La inducción
2
electromagnética es el principio sobre el que se basa el
funcionamiento del generador eléctrico, el transformador
y muchos otros dispositivos.
Cualquier método de inducción magnética puede
estudiarse mediante una expresión que surge del los
estudios de los dos científicos anteriores, más conocida
como la ley de Faraday. Esta ley relaciona la variación
del flujo del campo magnético con el tiempo con la
fuerza electromotriz inducida. Para hablar de esta ley es
necesario tener claros los siguientes conceptos.
Existen ciertos materiales llamados magnetitas que en
algunos casos están formados por óxidos de hierro que
tienen
una
alineación
de
corriente
que
microscópicamente debe ser tan impresionante, que son
capaces de generar un campo magnético apreciable (ley
de ampere), el cual se define vectorialmente por medio
de las líneas de campo magnético. Un campo magnético
puede tener influencia sobre otro campo magnético, o
sobre una corriente eléctrica generando una fuerza que
cambie su dirección, fuerza definida por medio de la ley
de Lorentz, y en particular tiene influencia sobre las
pequeñas corrientes que existen en las cortezas
electrónicas de los átomos de un material. En algunos
materiales esta influencia es mucho más grande que en
otras, y dependiendo de la configuración electrónica de
los átomos del material principalmente en sus orbitales
d, serán atraídos más o menos débilmente por efectos del
campo magnético. En orden decreciente de atracción
están los materiales, ferro magnético, paramagnético y
diamagnéticos.
Nótese que independientemente del
material existe una interacción con estas corrientes, solo
que en algunos casos no es apreciable.
En los alrededores de materiales como las magnetitas,
comúnmente llamados imanes y que se comportan como
un material ferromagnético, el campo magnético está
relacionado con algo llamado la carga magnética del
imán, y con la distancia de un punto a la localización de
esa carga magnética. La cadena de conceptos carga
eléctrica-campo eléctrico-fuerza eléctrica, tiene mucha
relación con la cadena carga magnética-campo
magnético-fuerza magnética. Excepto en el caso de las
cargas eléctricas se han apreciado la existencia de
dipolos o mono polos, cada uno referente a la carga de
cierta partícula subatómica sea protón o electrón. Sin
embargo las cargas magnéticas, por ejemplo en un imán,
nunca se encuentran separadas (por lo que se sabe hasta
el momento), siempre están formando un dipolo; donde
un polo en cualquiera de los casos es el sitio donde
mayor fuerza se puede ejercer. Este polo, donde se
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concentra la carga magnética del imán con seguridad
está muy relacionado a un lugar donde cargas en
movimiento muy alineadas están generado un campo
magnético. (Ley de ampere). La relación que nos
permite conocer la magnitud del campo magnético
alrededor de una carga magnética es la siguiente
Ecuación 2. Campo magnético alrededor del polo de un
imán.
Donde K=m 0q/4p. m 0 es la permitividad magnética
en el vacío, y q es la carga magnética de un polo del
imán.
Las líneas de campo magnético pueden atravesar un
área, en particular la que está delimitada por una espira
de un solenoide: Cuando hablamos un campo magnético
que atraviesa un área nos referimos al concepto de flujo
de campo magnético, el cual está expuesto
explícitamente en la ley de Faraday.
El flujo de un campo magnético a través de una
superficie de define de un modo análogo al flujo de un
campo eléctrico. Este flujo es la suma de toda magnitud
de campo magnético que atraviesa perpendicularmente
un área
Figura 3. Flujo de campo magnético.
Ecuación 3. Flujo magnético.
El flujo magnético tiene unidades de Weber = 1 T m2.
Además este flujo cambia si el campo que atraviesa el
área cambia. Si el campo magnético sobre el área fuera
constante entonces tendríamos que.
Φ = B A cosθ
Ecuación 4. Flujo magnético con B constante.
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Los experimentos de Faraday y Henry demostraron
que si el flujo magnético de un área rodeada por un
circuito varía por cualquier medio, se induce una fuerza
electromotriz (fem) [1]. Esta fuerza electromotriz es
análoga a la deferencia de potencial eléctrico que existe
entre los extremos de una batería por ejemplo. En otras
palabras, la variación del flujo que hay en el área
delimitada por un circuito (por ejemplo una espira de
una bovina) genera un gradiente de potencial eléctrico;
una descompensación de carga en el mismo alambre, que
obliga a circular las mismas cargas para alcanzar un
equilibrio electroquímico, tal cual ocurre si conecto los
extremos de la batería por medio de un alambre, los
electrones fluyen de un polo al otro hasta que las
especies químicas que conviven en la batería alcancen
un equilibrio electroquímico. [2] La única diferencia de
la fuerza electromotriz inducida que genera una batería
con la fuerza electromotriz inducida es que la de la
batería se define en una región especifica del circuito al
cual se conecta la batería y esto es entre los terminales
de la batería, sin embargo, la fuerza electromotriz
inducida se considera distribuida a través del circuito
[1].Como quien dice no hay extremos, o podría pensarse
en una batería hipotética en el circuito representando la
fem inducida como un punto del circuito, las cargas
fluyen desde ese punto hacia ese mismo punto de nuevo
porque está cerrado.
Esta fuerza electromotriz
representa el trabajo que se realiza sobre una carga para
atravesar el circuito, por unidad de carga (J/C), sin
embargo, esta fem también puede pensarse como una
fuerza que esté actuando por unidad de carga (N/C = E:
campo eléctrico) (V = J/C = E*m) durante una distancia
determinada.
Por que se produce este gradiente de potencial
electroquímico. La respuesta puede estar relacionada con
la química de la configuración de electrónica de los
átomos, el movimiento de los electrones en la corteza del
átomo y su relación con el campo magnético. En un
material ferromagnético o paramagnético sometido a un
campo magnético, se alinean los espines y giro de
electrones desapareados (alrededor del núcleo)
generando una corrientes alineadas, que internamente se
cancelan pero superficialmente se suman superficial
como la que se observa en las siguientes figuras.
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Finalmente tal corriente sigue la trayectoria del hilo de
material y puede aprovechar, es decir, la corriente
superficial mostrada en la figura 4 se desplazará a lo
largo de la curva del alambre por el que circula, por
ejemplo en un solenoide.
Figura 4. Modelo de espiras de corrientes atómicas en
material ferromagnético sometido a un campo B
Figura 5. Detalle de las corrientes en las espiras
atómicas.
Mientras ese campo no varíe, los electrones giran
alrededor de su propio núcleo, alineando el campo
magnético que genera su giro con el del imán. Sin
embargo, cuando el campo magnético varia, los
electrones empiezan a circular pero este giro tiene algo
que lo diferencia de aquel que tiene el electrón de un
material ferro o diamagnético en reposo frente a un
imán. Este giro es en realidad una circulación de
electrones de valencia (del último nivel de energía,
menos atraídos por el núcleo del átomo) que saltan de
átomo en átomo; esta es la corriente que se produce por
la variación del campo magnético, cuyo giro superficial
se opone a la variación del campo. En conclusión es
diferente la “corriente de alineación” en el material ferro
o paramagnético que es atraído por un campo magnético
constante, a la corriente que se genera por su variación.
Sin variación del campo magnético, la corriente se da
alrededor del núcleo, con variación la corriente se
empieza a dar por el movimiento de electrones de átomo
en átomo. La ley de Lorentz ayuda a entender que el
campo genera una fuerza que desvié el electrón. Si el
campo aumenta, seguramente lo hará también esa fuerza
hasta el punto de hacer mover ese electrón hacia la
corteza del átomo adyacente. Habrá en un punto una
acumulación de carga que genere un gradiente de
potencial electroquímico y por consiguiente una fem, por
lo cual la de generara una corriente que hará desplazar
los electrones hasta alcanzar un equilibrio, o incluso la
corriente que se genere puede estar dada por la tendencia
de un electrón a ocupar el hueco que dejo el electrón
desplazado por la fuerza magnética (Lorentz).
Fue importante mencionar tal giro que se produce en
el electrón de un material ferro o paramagnético, no solo
para citar la diferencia de la corriente que se produce si
el campo magnético varia o no, sino porque ese giro
superficial está relacionado con la dirección del campo
magnético inducido, que luego se verá con más detalle
citando la ley de Lenz. Es decir la corriente que se
produce como tal es diferente si varia el campo o no,
pero la alineación de tal corriente sea alrededor del
núcleo de un átomo, o de átomo en átomo, tiene en
mismo principio para hablar de la dirección del campo
magnético inducido.
Finalmente los experimentos de Faraday y Henry
pudieron establecer una relación matemática entre tal
variación del flujo de campo magnético con la fem
inducida, y esta a su vez con el campo eléctrico inducido
actuando sobre una carga durante una distancia. La ley
se definió así.
Fem (V inducido)
=
Ecuación 5. Ley de Faraday.
Esta ley finalmente explica muchos fenómenos que
ocurren dentro del campo de la electricidad. Por
ejemplo, a veces al extraer la clavija del enchufe de un
circuito eléctrico observamos la producción de una
pequeña chispa. Antes de la desconexión el cable
eléctrico transporta una corriente que como sabemos
genera su propio campo eléctrico de acuerdo con la ley
de Ampere. Al desconectar la clavija estamos
disminuyendo la corriente a tal velocidad que el campo
magnético disminuye bruscamente, esta disminución del
campo magnético genera una corriente inducida que
intenta contrarrestar la variación del campo magnético
inicial. En este caso se puede decir que la chispa que se
genera simboliza una corriente que va desde la toma
hasta la clavija. In embargo cuando la corriente
disminuye a 0, el campo magnético deja de variar, y no
se genera más fem ni corriente ni campo magnético
inducidos. Sin embargo la dirección de esta corriente,
aunque relacionada con el signo expuesto en la ley de
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Faraday, se puede determinar fácilmente con los que
conocemos como ley de Lenz.
A partir de la ley de Faraday, que dice un conductor
que se mueva perpendicularmente al campo magnético,
inducirá una fuerza electromotriz (FEM), aunque si se
trata de un circuito cerrado, inducirá una corriente
(Figura 6).
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conductor se mueve.
Y ahora la tensión inducida, según la ley de Faraday,
será la ecuación 5, aunque esta ya fue mencionada antes.
El signo menos es al que hace referencia Lenz, el
sentido que toma la tensión inducida.
II. EXPERIMENTOS
Uno de los primeros experimentos realizados se
diseño para comprobar los postulados de la ley de
ampere. Se dispuso de un imán en U, y de un solenoide
al cual se conecto en serie un amperímetro, como se
muestra en la siguiente figura
Figura 6. Principio de la ley de Faraday.
Acá aparece el físico germano báltico Heinrich Lenz,
que agrega una parte a la ley de Faraday, se trata sobre el
sentido que toma la tensión inducida; dice que el sentido
de la corriente inducida será tal que se oponga al sentido
del campo magnético variable que los indujo, en realidad
lo que se opondrá al campo magnético variable que
indujo la corriente, es el campo magnético inducido por
la corriente, por ley de Ampere se sabe que una carga en
movimiento (corriente) induce un campo magnético a su
alrededor.
Se ha dicho que una carga tiene un campo eléctrico a
su alrededor, y si se encuentra encerrada en una
superficie que tiene una pequeña abertura, va a existir un
flujo de campo eléctrico por esa área; ahora si en vez de
encerrar una carga se encierra un conductor entre un
polo norte y un polo sur magnético, va a existir un flujo
de campo magnético (en Weber, Wb), por lo que la
ecuación 4 –ya antes mencionada –relaciona la
inducción electromagnética (en Tesla, T), la superficie
del conductor y el ángulo que forman el conductor y la
dirección del campo magnético.
Si el conductor se coloca en movimiento, simplemente
se deriva la ecuación 4 respecto al tiempo, teniendo
como resultado la ecuación 6.
dϕ = B ∗ dS ∗ cos α
Ecuación 6. Flujo de campo magnético cuando el
Figura 7. Montaje demostrativo ley de inducción de
Faraday.
Si el imán se posaba sobre el solenoide en reposo
entonces, no se generaba ninguna corriente. Si se
introducía o sacaba lentamente dentro del solenoide, el
amperímetro marcaba una corriente que además
mostraba un signo según el caso, casi de la misma
magnitud. Aunque no se puede afirmar con total certeza
lo anterior, puesto que no se puse asegurar que la
velocidad con la que se introducía el imán era constante
y además igual si el imán se sacara, lo cual daba como
resultado una lectura variable del amperímetro.
Sin embargo si se puedo observar que hasta cierto
punto des solenoide, si acercábamos o alejábamos el
imán a una velocidad mayor, la corriente que marcaba el
amperímetro era mayor. Por consiguiente, si lo
acercábamos o alejábamos lentamente teníamos una
corriente menor. Además en el momento de devolver el
imán la corriente cambia de signo, por lo cual tenía que
pasar por 0. Cero que corresponde al mismo que si
dejáramos el imán descansando sobre el solenoide. (Sin
variación de campo magnético).
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Tomando z como el eje de simetría del solenoide y de
acuerdo con los resultados podemos decir que, la
corriente, y por consiguiente la fuerza electromotriz
inducida en el solenoide es directamente proporcional a
la velocidad con la que se desplaza en imán sobre el eje
z.
Sin embargo podemos afirmar que el campo
magnético producido por el imán es proporcional la
cercanía de cualquier punto en el espacio al polo del
imán (inversamente proporcional a la distancia radial
con respecto al polo) de acuerdo con la ecuación 2. Pero
el flujo de campo magnético de sobre el área de una
espira es directamente proporcional al campo magnético
que la atraviesa. Es decir que a medida que se acerca el
imán al solenoide, (hay una velocidad en z), la distancia
entre las espiras va disminuyendo, y el flujo de campo
magnético aumenta de acuerdo con los resultados se
produce una fem y una corriente inducidas. Si el imán se
acerca más rápido, más rápido aumentara el flujo de
campo magnético, y de acuerdo con los resultados eso
muestra que hay una magnitud mayor de fem inducida, y
por tanto de corriente, sin tener en cuenta el signo de los
mismos.
Todo esto ocurre debido a la ley de Faraday. Un
campo magnético variable que crece sobre un área
constante delimitada por las espiras del solenoide está
generando una corriente debido a que el campo al
aumentar desvía con fuerza los electrones de valencia de
los átomos del metal conductor, haciendo que circulen
de átomo a átomo generando un gradiente de potencial
electroquímico, y huecos en la capa de valencia de los
átomos que naturalmente inducen una corriente sobre el
material con el fin de compensar carga. Si el campo no
variara, solamente se alinearía el espín del electrón que
gira alrededor del núcleo al átomo que pertenece y no se
produciría ninguna descompensación de caras, fem ni
corriente inducida.
En la siguiente experiencia realizada en la laboratorio
se observó que al colocar un anillo cerrado metálico
alrededor del núcleo del electroimán y poniendo a
funcionar el electroimán, dicho anillo se veía repelido
por el electroimán y salía “volando” lejos del aparato. El
anterior fenómeno es posible de explicar gracias a la ley
de Faraday que dice que una variación de campo
magnético produce un flujo de cargas (corriente
eléctrica), como el campo magnético es un vector y
vectorialmente está variando, pues su dirección cambia
en cada punto de las líneas de campo magnético,
entonces induce una corriente y como se trata de un
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circuito cerrado (anillo metálico) se puede crear dicho
flujo, esto explica la corriente en el anillo, sin embargo
queda la cuestión de porqué el anillo se ve repelido por
el electroimán. Para explicar dicho fenómeno se hace
necesario recurrir a la ley de Lenz que indica que la
corriente generada por un cambio de campo magnético,
producirá un campo magnético que se oponga a las
variaciones del que la genera, como el anillo tiene una
corriente producto de la variación de campo del
electroimán –supóngase que en la parte superior se
encuentra su polo norte –éste generará un campo
magnético que se le oponga –la parte superior del anillo
será su polo norte –y como norte encara a norte y sur
encara a sur, se espera que resulte una fuerza repulsiva
entre ambos objetos, lo que hace que el anillo salga
“disparado” por efecto del electroimán.
El mismo experimento se realizó con un anillo
discontinuo, el cual quedó en reposo frente al
electroimán precisamente porque no es un circuito
cerrado, por no ser un circuito cerrado el campo
magnético tiene una pequeña franja por donde continuar
su rumbo sin resistencia ajena a la que pueda oponer el
aire, además no inducirá ninguna corriente, y como no
induce ninguna corriente no hay un campo magnético
que se oponga.
Otro experimento realizado tuvo un objetivo diferente,
que fue observar cómo por medio del electroimán
podríamos soldar un metal a través de un solenoide
discontinuo en un punto donde se podía unir y allí se
soldaba el metal.
El principio de la soldadura de punto consiste en crear
una gran diferencia de potencial entre dos electrodos que
después se podrán en contacto a través de un conductor.
La soldadura se produce gracias a un gran flujo de
energía en un intervalo de tiempo muy corto, lo que
eventualmente genera un arco eléctrico, dicho flujo se
hace posible por medio de un contacto entre ambos
electrodos que se establece a través de los metales que se
quieren soldar, la transmisión de de esta energía calienta
las láminas y estas se unen gracias a que las moléculas
de las caras de ambos metales se calientan debido a la
resistencia ofrecen y a que parte de esta energía debe ser
disipada en forma de calor.
Para que una soldadura realizada por este método sea
efectiva es necesario que la diferencia de potencial entre
los electrodos que producen el arco eléctrico sea máximo
para que aumente la cantidad de energía disipada en
forma de calor en las placas a soldar, la energía perdida
en forma de calor en una soldadura de punto está dada
por la ecuación 7.
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𝑄 =
7
𝐼2 ∗ 𝑅 ∗ 𝑡
Ecuación 7. Donde Q corresponde al calor de la
soldadura, t al tiempo transcurrido durante la misma, I y
R a la resistencia y la intensidad de corriente a través del
circuito.
El éxito de este tipo de soldadura consiste en
proporcionar una corriente con la mayor intensidad
posible en el menor tiempo, esto proporcionará una
soldadura con un mínimo de fusión de material con una
buena resistencia mecánica.
Como ya se explicó para este tipo de procedimiento es
necesaria una diferencia de potencial muy grande, en el
laboratorio esta diferencia se consiguió por medio de un
electroimán que se hacía pasar por el centro de un
solenoide con terminales en forma de punta, el campo
magnético producido por el electroimán interactúa con
los electrones de valencia presentes en el conductor del
solenoide que se orientaron y se desplazaron hacia uno
de los extremos del solenoide, mientras que el otro
extremo queda desprovisto de los mismos, cuando los
electrodos se acercan o se ponen en contacto los
electrones pasan de un lado a otro disipan el potencial
que se encontraba y aportan energía para la soldadura.
En este caso al igual que en el del solenoide
atravesado por un imán se produce una corriente
eléctrica partiendo de un campo magnético, en el
laboratorio este experimento se realizó con un
electroimán debido a que este produce un campo
magnético mucho más fuerte que un imán común; El
campo magnético del electroimán interactúa con los
electrones desapareados desplazándolos, como en este
caso el circuito no se cierra los electrones se desplazan
hasta uno de los extremos de la bobina creando la
diferencia de potencial necesaria para la soldadura.
¿Cómo poder asegurarnos que en el electroimán en
realidad esté funcionando? Ya hemos visto pruebas muy
dicientes, como la repulsión del disco metálico liviano,
la levitación del disco metálico pesado y el efecto de
soldadura. Sin embargo todavía falta la prueba más
fehaciente: La formación de las líneas de campo
magnético.
Una prueba se realizo con agujas y otra con limadura
de hierro. Los resultados que se observaron fueron
similares a los que podemos ver en las siguientes figuras.
Figura 8. Líneas de campo magnético en un electro imán
con limadura metálica
Figura 9. Limadura metálica en ausencia de campo
magnético
Cuando se realizó el experimento con agujas los
resultados fueron muy parecidos a los de la figura 8.
Si las agujas se colocaban cobre una aguja por encima
del electro imán todas de paraban, si la hoja se acercaba
a un costado del electro imán todas se caían
gradualmente al acercarse al costado.
Recordemos que este fenómeno lo podemos apreciar
gracias a las propiedades ferro magnéticas del hierro y
de los óxidos de hierro como los que se ven en las
anteriores figuras. Las espiras de los electrones en los
átomos de un material ferromagnético se alinean de tal
forma que en la superficie del material de crea una
“corriente superficial”, formada en realidad por el
alineamiento de las espiras de los electrones del material
en presencia del campo, de tal manera que la corriente se
alinea con el campo y permite que sus líneas continúen.
Tal cual se ve en la figura 4. Y que hasta el mismo
material se magnetice permitiendo que una partícula por
ejemplo de hierro, actúe como un imán más pequeño
para la partícula adyacente, todos los polos se alinean en
pares, y por eso, el oxido de hierro puede generar esos
“pelos” que representan las líneas de campo magnético
generadas por el electro imán.
También
se
aprovecharon
las
propiedades
ferromagnéticas de la limadura para observar las líneas
de campo magnético en un imán en U. Siempre se ha
visto que en un imán las líneas de campo magnético van
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de norte a sur, en los imanes en U ocurre lo mismo, no
son la excepción (Figura 9). Motivo por el que la
limadura de hierro se centraba en las puntas del imán en
U.
Figura 9. Líneas de campo magnético.
Otro experimento realizado para comprobar la
aparición del campo magnético por medio del
electroimán fue por medio de una esfera metálica hueca
que flotaba en un vaso de vidrio medio lleno de agua que
se sostiene sobre el electro imán. Pero además debajo del
vaso
entre este y el electroimán, se colocó
horizontalmente con respecto al piso y al electroimán
una placa metálica circular debajo del vaso de tal forma
que media mitad del vaso quedó mirando el electroimán,
y la otra mitad mirando la placa. Después de acomodado
el sistema, la esfera hueca metálica empezó a girar.
Un procedimiento se monto pero con una placa
metálica circular con un eje en el centro colocada
verticalmente sobre el electro imán y debajo de ella y
encima del electroimán horizontalmente la misma placa
metálica circular del experimento anterior. La placa
circular sostenida verticalmente también empezó a rotar
sobre su eje.
Estos fenómenos también se tribuyen a la generación
de una corriente y campo magnético inducidos de
acuerdo con la ley de Faraday y la ley de Lenz. El
campo magnético variable que se genera debido al
electroimán debe generar corrientes inducidas tanto en la
esfera metálica como en el disco metálico. Es claro que
estas corrientes no se pueden ver tan fácil, como si el
metal tuviera la forma de un anillo o la de un solenoide.
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En el caso de la esfera muchas corrientes se pudieron
haber producido horizontalmente como si la esfera fuera
un conjunto de anillos que crece o decrece en radio. Si
no hubiéramos colocado la placa horizontal debajo del
vaso seguramente se hubiera generado un campo
magnético parecido al del anillo cerrado, y se hubiera
repelido con el campo generado por el electroimán, hasta
mantenerse flotando en el agua más arriba de lo que la
esfera naturalmente lo hace. Sin embargo al colocar la
placa metálica, existe otro instrumento sobre el cual se
está ejerciendo un campo magnético variable generando
una corriente inducida y un campo magnético inducido.
Este instrumento esa atenuando las líneas de campo que
salen del electroimán digamos que por su parte derecha,
por medio de su campo magnético inducido, opuesto al
del electroimán. Por lo cual en el costado izquierdo de la
esfera existen unas líneas de campo magnético contrarias
a las producidas por el electroimán de mayor magnitud
que en la derecha donde el campo es atenuado por efecto
de la placa circular). Este hecho hace que se produzca un
torque sobre la esfera que la haga empezar a girar. El
efecto es el mismo que si tuviéramos una barra
horizontal con un eje vertical en el centro y una pareja
estuviera empujándola en diferentes sentidos + y –
angularmente, pero una persona empuja más fuerte que
la otra.
En principio la esfera no gira porque el torque que
produzca la fuerza debida a la repelencia de los campos
magnéticos sobre la porción izquierda de la esfera era
igual al torque en la derecha. Es el mismo en diferentes
sentidos angulares.
En el disco metálico debe ocurrir exactamente lo
mismo. Sin embargo es mucho más difícil pensar en
cómo se genera la corriente inducida en tal disco.
Seguramente en el disco, con forma de cilindro, se
formaban corrientes casi rectangulares sobre una cuerda
que atraviese horizontalmente la placa circular.
Otro fenómeno que se observó fue la evaporación de
agua en una olletica que se da como influencia del
electroimán y su variación de campo magnético. Dicho
fenómeno se puede explicar gracias que el anillo que se
llenaba con agua interactuaba con el campo magnético
producido por el electroimán, lo que inducia una
corriente a lo largo del anillo, debido a que los electrones
sólo podían moverse a través de este, la única resistencia
era la producida por el material, lo que ocasionaba una
disipación de energía muy grande en forma de calor, una
vez más gracias al poderoso electroimán. Cabe anotar
que en este experimento era necesario retener el anillo en
la base del electroimán por esta razón vibraba y producía
sonido al chocar con la placa que tenía debajo, si el imán
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no hubiese sido retenido por la fuérzala energía disipada
en forma de calor se habría gastado lanzando el anillo
fuera del electroimán, lo que no daría tiempo ni energía
suficiente para el aumento de temperatura del anillo
metálico, una clara evidencia de esto consiste en que
inmediatamente el anillo fue soltado, salió y se alejo del
electroimán.
Como ya sabemos una resistencia es uno de los
principales elementos necesarios para que pueda darse
un flujo de electrones, también sabemos que una
resistencia es un elemento pasivo, es decir que consume
energía potencial, si tenemos en cuenta que la corriente
producida en el anillo tiene como única resistencia el
mismo conductor y que la diferencia de potencial a lo
largo del anillo es significativamente grande, tenemos
que el anillo mismo debe consumir parte de esta energía
potencial, y debido a que no se puede mover este energía
es disipada en forma de calor que rápidamente calienta
agua en el interior del mismo.
Por último se observaron dos hechos muy peculiares,
había un tubo metálico, por dentro se lanzaron dos
piezas, una imantada y otra no imantada, de las mismas
dimensiones, la pieza imantada bajó en más tiempo a
comparación que la pieza no imantada.
En primera instancia se pensaría en la fricción, pero
ambas piezas son similares y su coeficiente de fricción
es tan pequeño que se puede ignorar; la pieza imantada
va variando de posición en el tubo, por lo que se
considera un campo magnético variable, está
atravesando un circuito cerrado, por lo que induce una
corriente eléctrica que tiene un campo magnético que se
opone al campo magnético de la pieza imantada, por esa
oposición la pieza imantada baja mucho más lento;
aunque muchos dirán ¿por qué no se queda dentro del
tubo?, la fuerza de la gravedad es mucho mayor y por
eso baja completamente.
III. BIBLIOGRAFÍA
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Y LA TECNOLOGÍA (Vol. 2A. Electricidad y
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