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CONSTRUCCION DE MONTAJES BASICOS EN ELECTROMAGNETISMO
INTEGRANTES:
Yudy Chacon Zamora G11N07yudy cod: 273293
Camilo Jaimes Gonzalez G11N20camilo cod: 245236
Alejandro Gûiza G11N17alejandro cod: 174858
Katherin Peña G11N29katherin cod: 245142
Marcela Bello G10N05marcela cod: 245186
PRESENTADO A:
JAIME VILLALOBOS. Ph. D.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
BOGOTA 14 JUNIO 2012
CONSTRUCCION DE ELEMENTOS BASICOS EN ELECTROMAGNETISMO
OBJETIVOS
- Elaborar montajes básicos que puedan explicar el fenómeno del electromagnetismo.
- Realizar videos cortos con los montajes realizados
- Explicar y experimentar con leyes fundamentales de la fisica
INTRODUCCION
Desde el siglo VI a. C. ya se conocía que el óxido ferroso-férrico, al que los antiguos llamaron
magnetita, poseía la propiedad de atraer partículas de hierro. Hoy en día la magnetita se conoce
como imán natural y a la propiedad que tiene de atraer los metales se le denomina “magnetismo”.
Los chinos fueron los primeros en descubrir que cuando se le permitía a un trozo de magnetita
girar libremente, ésta señalaba siempre a una misma dirección; sin embargo, hasta mucho tiempo
después esa característica no se aprovechó como medio de orientación. Los primeros que le
dieron uso práctico a la magnetita en función de brújula para orientarse durante la navegación
fueron los árabes.
El dia de hoy se muestran con montajes básicos la realidad casi inexplicable del
electromagnetismo en el mundo.
MARCO TEORICO
IMANES PERMANENTES
Cualquier tipo de imán, ya sea natural o artificial, posee dos polos perfectamente
diferenciados: uno denominado polo norte y el otro denominado polo sur.
Todos los imanes tienen dos polos: uno norte (N) y
otro sur (S).
Una de las características principales que distingue a los imanes es la fuerza de atracción o
repulsión que ejercen sobre otros metales las líneas magnéticas que se forman entre sus polos.
Cuando enfrentamos dos o más imanes independientes y acercamos cada uno de ellos por sus
extremos, si los polos que se enfrentan tienen diferente polaridad se atraen (por ejemplo, polo
norte con polo sur), pero si las polaridades son las mismas (polo norte con norte, o polo sur con
sur),
se
Si enfrentamos dos imanes con polos diferentes se
atraen, mientras que si los polos enfrentados son
rechazan.
iguales, se repelen.
Cuando aproximamos los polos de dos imanes, de inmediato se establecen un
determinado número de líneas de fuerza magnéticas de atracción o de repulsión, que
actúan
directamente
sobre
los
polos
enfrentados.
Las líneas de fuerza de atracción o repulsión que se establecen entre esos polos son
invisibles, pero su existencia se puede comprobar visualmente si espolvoreamos
limallas de hierro sobre un papel o cartulina y la colocamos encima de uno o más
imanes.
1º.- Fuerza sobre una partícula cargada en un campo eléctrico.- De acuerdo con la definición
de intensidad de campo eléctrico, la fuerza que actúa sobre una partícula cargada con una
carga q en un campo eléctrico E , vendrá dada
con un módulo
con una dirección : la de
con un sentido igual al del campo si q es positiva y el contrario
si es negativa.
E
F
2º.- Aspectos energéticos del campo eléctrico.Recordemos que, el campo eléctrico, lo mismo que el gravitatorio, es un campo
conservativo, por lo que podremos hablar de valores de energía potencial eléctrica. El
hecho de ser conservativo, nos permite escribir que :
WF del campo eléctrico = - D Epotencial eléctrica
y, por tanto
o lo que es lo mismo
y, recordando las definiciones de intensidad de campo eléctrico y de potencial eléctrico.
podemos escribir la expresión anterior dividida por la unidad de carga eléctrica q :
De donde, la componente del campo eléctrico en la dirección de dr será
Si generalizamos, las componentes del vector campo eléctrico a lo largo de los tres ejes de
coordenadas serán :
Si en determinados casos concretos el campo eléctrico es uniforme ( como el que existe
entre las placas de un condensador plano) y, se dirige a lo largo del eje x, podemos
escribir:
o
Si los puntos 1 y 2 están situados en las placas del condensador plano , podemos escribir :
siendo d la distancia entre las placas.
Cuando
tenemos
un
sistema
de
partículas
cargadas
y,
deseamos
razonar
energéticamente, debemos delimitar el sistema y, especificar si existen o no fuerzas
exteriores, así como considerar si todas las fuerzas interiores son o no conservativas. Si se
trata de un sistema AISLADO ( no interacciona con el exterior) y, todas las fuerzas
interiores son conservativas ( eléctricas o gravitatorias) el principio de conservación de la
energía podemos escribirlo :
DEc + DEp eléctrica + DEp gravit. = 0
Si sólo actúan las fuerzas eléctricas ( o las gravitatorias son despreciables) la expresión
anterior quedará :
DEc + DEpe= 0
DEc = - DEp
que, teniendo en cuenta la definición de potencial eléctrico :
DEc = - (Ep2 – Ep1) = -q ( V2 – V1)
Luego, la energía cinética que gana una carga eléctrica al ser acelerada entre dos puntos
del campo eléctrico, es igual a q multiplicado por la diferencia de potencial entre esos dos
puntos.
3º Fuerza magnética sobre carga móvil ( Fuerza de Lorentz). Cuando una partícula
cargada con una carga q penetra en un campo magnético B, dotada de una
velocidad v sobre ella aparece una fuerza magnética que viene dada por la expresión:
de módulo
de sentido perpendicular al plano que
contiene v y B.
de sentido el de avance del tornillo que
haga girar v sobre B ( si q es + y el
contrario si es - ).
Como vemos, la fuerza magnética sobre una partícula cargada móvil, es siempre
perpendicular a la velocidad, por lo que sólo actuará como centrípeta, no aumentando
nunca de módulo del vector velocidad.
4º.- Fuerza magnética sobre un hilo conductor por el que circula corriente. Si
disponemos de un hilo conductor por el que circula la corriente I , situado en un campo
magnético constante B, sobre dicho hilo aparece una fuerza de origen magnético, ya que la
corriente supone el movimiento de cargas eléctricas en un determinado sentido. Esta
fuerza vendrá dada por:
siendo l la longitud del hilo que, consideraremos un vector de módulo la longitud del hilo,
de dirección la del conductor y de sentido el de la corriente. Por tanto, la fuerza magnética
tendrá:
Módulo
dirección perpendicular al plano determinado por los vectores l y B
sentido el de avance del tornillo que gire l sobre B
Si, en lugar de tratarse de un tramo de hilo conductor, se trata de una espira rectangular
por la que circula corriente (tal y como indica el dibujo) situada en un campo magnético
constante, sobre los lados a y b de la espira, aparecerán fuerzas que constituyen un PAR,
con un determinado momento que hará girar la espira de corriente hasta que, el flujo
magnético a su través sea máximo.
M = F . r = I. la . B. lc
M = I. B . S
siendo S el área de la
espira.
En general, para cualquier posición:
5.-
Inducción
electromagnética.
Ley
de
Faraday
y
Henry.- La
inducción
electromagnética estudia las corrientes eléctricas producidas por campos magnéticos. La
ley de Faraday, establece que “ la fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de
signo opuesto a la variación del flujo magnético que atraviesa el circuito por unidad de
tiempo”.
Es decir, un flujo magnético variable a través de un circuito produce una f.e.m. igual a
menos la derivada del flujo con respecto al tiempo.
TERMOCUPLA
Una termocupla es un transductor de temperatura, constituido por dos conductores (alambres),
que desarrollan una f.e.m. que es función de la diferencia de temperatura entre sus uniones, una
caliente ubicada en el lugar a medir temperatura, y una fría tomada como referencia. Las
termocuplas se fabrican con metales puros o sus aleaciones, y se usan para medir temperaturas
que van desde los aproximadamente 80 grados hasta aproximadamente los 1800 grados
centígrados, con termocuplas estándares, con aleaciones especiales pueden llegarse a
temperaturas superiores a los 3000 grados centígrados. A pesar de los avances efectuados con
otros sensores de temperatura, las termocuplas continúan siendo los más usados debido al
intervalo de temperatura en el cual pueden utilizarse, su bajo costo y su versatilidad, la desventaja
mas relevante es que las termocuplas miden diferencias de temperatura y no temperatura
absoluta, por lo que debe usarse una junta de referencia. Para la medición de la temperatura, las
termocuplas se basan en los siguientes efectos:
Efecto Peltier: Dos conductores de diferente composición, a la misma temperatura tienen
diferentes densidades de portadores de cargas libres, por lo tanto cuando estos conductores se
ponen en contacto entre si por medio de una unión rígida (soldadura), a través de esta unión hay
una difusión de electrones desde el conductor de mayor densidad electrónica al de menor
densidad. Cuando esto sucede el conductor que entrega electrones adquiere una polaridad
positiva con respecto al otro, este voltaje es función de la temperatura de la unión entre los
conductores que constituyen el par. Sus los coeficientes de temperatura típicos van desde 10 a
50 micro voltios por grado centígrado.
Efecto Thomson: Si en un conductor se mantienen sus extremos a diferentes temperaturas se
produce un flujo de calor que tiende a establecer el equilibrio térmico, ese flujo de energía calórico
es transportada por electrones, por lo tanto en los extremos del material aparece una diferencia
de potencial que es proporcional a la diferencia de temperatura, Los coeficiente típicos de la
f.e.m. de Thomson para cero grado centígrado varían desde 2 micro voltios por grado centígrado
para el Cu. Hasta menos veintitrés para el Constantán.
La combinación de ambos efectos se resume en el llamado efecto Seebeck. Cuando los dos
materiales A y B cuyos extremos se hallan a dos temperaturas diferentes T1 y T2, se sueldan en
uno de los extremo, aparece una f.e.m. de Seebeck, ese flujo de energía calórica, es transportado
por electrones, por lo tanto, entre los extremos de los materiales aparece una diferencia de
potencial, que es proporcional a la diferencia de temperatura.
MONTAJES
1. Construcción
de
un
motor
elemental
Este experimento ha suscitado un gran interés y asombro entre los visitantes. Se trata de
un simple motor eléctrico formado por una pila, un cable arrollado en forma de espira, un
imán permanente y dos clips metálicos que harán de soporte de la espira (tal como se
muestra
en
la
imagen).
Al circular una corriente eléctrica por la espira, se genera un campo magnético que, al
enfrentarse al campo magnético producido por el imán, hace que la espira gire de forma
indefinida.
El cobre de la espira está esmaltado. Por ello, hay que lijar los extremos de los cables que
contactan con los clips, pero sólo la mitad. La razón de no lijarlos del todo estriba en el
hecho de que, al girar la espira 180°, el campo magnético que crea tiene un sentido
contrario al anterior, y la espira cambiaría también su sentido de giro, por lo que giraría un
poco
hacia
adelante
y
hacia
atrás
hasta
Con este experimento se demuestra el fundamento básico de un motor eléctrico.
http://www.youtube.com/watch?v=mumZfK--82A
pararse.
2. Construcción de un sensor de temperatura
-
Sensor de temperatura LM35: El LM35 es un sensor de temperatura con una
precisión calibrada de 1ºF y un rango que abarca desde 55ºF a +150ºF.
El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el mas común es el to-92 de igual forma
que un típico transistor con 3 patas, dos de ellas para alimentarlo y la tercera nos entrega un valor
de tensión proporcional a la temperatura medida por el dispositivo. Con el LM35 sobre la mesa las
patillas hacia nosotros y las letras del encapsulado hacia arriba tenemos que de izquierda a
derecha los pines son: VCC - Vout - GND.
La salida es lineal y equivale a 10mV/ºC por lo tanto:
+1500mV = 150ºF
+250mV = 25ºF
-550mV = -55ºF
Diagrama de conexión
3. ARCO ELECTRICO PRINCIPIO BASICO DEL PARARRAYO
Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizando el aire para excitar,
llamar y conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a las personas o
construcciones. Fue inventado en 1753 por Benjamín Franklin. El primer modelo se conoce como
«pararrayos Franklin», en homenaje a su inventor.
Necesidad de los pararrayos
Restos de un árbol de Eucaliptus golpeado por un rayo.
El rayo es un fenómeno meteorológico que genera severos efectos térmicos, eléctricos y
mecánicos, en función de su energía durante la descarga. Se conocen rayos con trayectoria
ascendente y descendente, que varían de valor en función de la actividad tormentosa y su
situación geográfica. Los valores de corriente que pueden aparecer en un solo rayo oscilan entre
5.000 y 350.000amperios, con una media de 50.000 amperios. Las temporadas de tormentas son
cada vez más amplias durante el año y aparecen incluso en invierno; su distribución geográfica es
muy variable, y puede haber variaciones importantes en los mapas ceráunicos de la actividad de
tormentas y la densidad de rayos.
Un arco eléctrico se define como un tipo de explosión eléctrica, debida a un cortocircuito
sostenido en el tiempo a través del aire ionizado. Este es causado por una rápida liberación de
energía debido a una deficiencia en el aislamiento eléctrico entre una parte energizada y otra a
otro potencial (falla entre barras, falla a tierra, fallas fase-neutro). Un arco eléctrico se genera
generalmente a partir de un error en la manipulación de los sistemas eléctricos o bien por la falla
en los aislamientos eléctricos en un punto determinado de un sistema eléctrico.
En el momento de un arco eléctrico, las temperaturas pueden alcanzar hasta 20.000ºC. Esta
descarga repentina de energía tiene la capacidad de destruir barras de cobre o aluminio (usadas
generalmente para la distribución de energía) hasta su fase de vaporización. El resultado es un
aumento brusco del volumen de los materiales contenidos en en el aire (explosión), la explosión
de arco, estimada en una expansión de 40.000 a 1. Una explosión de arco puede devastar todo a
su paso, produce los niveles de sonido superiores a 120 dB, y puede crear una metralla mortal
durante su ocurrencia.
4. DISCO DE ARAGO
El disco de Arago es un experimento de relativa facilidad que nos permite analizar de manera
concreta la Ley de Lenz, que nos permite explicar la aparición de las fuerzas de Lorentz, de igual
forma se puede mostrar las corrientes parasitas de Foucault. De esta forma podremos observar
de manera adecuada sus aplicaciones en la vida cotidiana, como lo son los frenos de los carros
de montaña rusa y los frenos de los trenes.
Conceptos fundamentales:
Ley de Lenz: El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la
produce. [1]
Ley de Faraday: La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en un circuito es
directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo atraviesa. [2]
Corriente de Foucault: Las corrientes de Foucault son las corrientes inducidas en el cuerpo
conductor por la variación en el flujo magnético. El resultado es la aparición de una f.e.m. que
hace circular una corriente en el material conductor. [3]
Fuerzas de Lorentz: es la fuerza que sufre un cuerpo por el cual circula una corriente eléctrica y
expuesta a un campo magnético.
Objetivo
Mostrar las corrientes parasitas Foucault, hacer el uso correcto de la ley de Lenz para la
explicación de la aparición de las fuerzas de Lorenz, por medio de un sencillo experimento.
Montaje experimental
Los materiales necesarios para montar un disco de Arago sencillo:
Disco de aluminio o cobre o cualquier material conductor (exceptuando aquellos que
tengan hierro)
Varios imanes fuertes (neodimio).
Un rodamiento.
Soportes y varios tubos.
Se debe realizar el siguiente montaje, debemos tener en cuenta que no es indispensable que el
montaje sea estrictamente el mostrado, sino que se pueden generar diferentes variaciones con el
fin de buscar la una forma donde se minimice la fricción del disco de aluminio con el fin de poder
permitir con mayor facilidad el movimiento de disco de aluminio, también podemos ignorar el
plástico que se sugiere (el que separa los imanes de el disco) y en ves de usar un disco que
sostenga los imanes puede usarcé una hélice formada por barios palos cruzados.
http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/image13/13_46_01.jpg
Debe procurarse que los imanes se encuentren lo mas cerca posible a el disco giratorio.
El modo de empleo mes bastante sencillo, los imanes se deben hacer girar con una fuerza
considerable (puede ser con la ayuda de un motor), casi de manera inmediata podremos observar
como el disco comenzara a moverse en el sentido contrario al que lo harán los imanes,
pareciendo casi un sistema de engranajes, debemos tener en cuenta que existen dos formas de
mejorar la eficiencia de la rueda una es aumentar de manera considerable la velocidad con la que
giran los imanes, la otra es el aumento de la fuerza magnética de los mismos. Como veremos
mas adelante la primera propiedad se ve utilizada en sistemas de frenos.
La principal pregunta que nos podemos llegar a generar es ¿Acaso el aluminio es
ferromagnético?, y en primera instancia parecería que esta es la explicación mas lógica, pero
podemos ver que es fácilmente descartado, manteniendo en reposo el aluminio y los imanes,
observaremos que no sienten ningún tipo de atracción magnética entre si.
La explicación a pesar de ser un poco más extensa no es de gran complejidad, como nos dice las
corrientes de Foucault, el flujo de un campo magnético variante en el interior del disco produce
una circulación de los electrones dentro del conductor, es aquí donde se da la influencia de la ley
de Faraday, el campo magnetizo variable produce un campo eléctrico que genera el movimiento
de los electrones, este flujo de los electrones crean electroimanes que tienen (como nos dice la
ley de Lenz) un campo magnético opuesto al de la fuente que lo produce, en este caso, los
imanes.
La repulsión generada por el imán y el disco de aluminio (que ahora es un electroimán) permite el
movimiento rotacional del disco y es aquí donde se puede hacer evidente la fuerza de Lorentz.
Aplicaciones
Es ampliamente usado en sistemas de frenos de trenes carros de montaña rusa, un electroimán
es activado en el borde de las ruedas (me material conductor), en este caso el imán es el que
esta fijo y la llanta es la que se mueve, a primera vista se puede decir que no existe un flujo de
cambio magnético, pero hay que analizar que un punto fijo de la rueda describe un movimiento
circular y experimentara un cambio de campo magnético.
Para analizar el comportamiento de la fuerza producido por el electroimán sobre la rueda, debeos
considerar el diagrama anterior que muestra la composición básica de un sistema de frenos en un
carro de montaña rusa. Para entender este fenómeno debemos analizar el sistema de manera
contraria, el giro de la rueda debe generar una rotación en el electroimán, en sentido contrario al
movimiento de la rueda, el electro imán al estar fijo en una sola posición la fuerza se ve reflejada
en la llanta y se ve como una fuerza que se opone al movimiento de la rueda, este fenómeno
genera una desaceleración cada ves menos fuerte debido a la disminución de la velocidad de la
rueda, la energía se disipa como calor.
Referencias
[1]
http://aprendeenlinea.udea.edu.co/lms/moodle/mod/resource/view.php?id=11062
Consultado el 3 de junio del 2012
[2]
http://www.mitecnologico.com/Main/LeyDeFaraday
Consultado el 3 de junio del 2012
[3]
http://www.ecured.cu/index.php/Corriente_de_Fouca
Consultado el 3 de junio del 2012
Bibliografía
Cheng, David K, Field and Wave, electromagnetics Addison Wesley, second edition, 1992.
Serway, Fisica Tomo II, EditorialMac Graw Hill, 1992