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Práctica 4. Fuerza magnética sobre un conductor con corriente.
Introducción.
En la serie de prácticas siguientes iniciaremos nuestro estudio de las propiedades generales del
campo magnético. Iniciaremos revisando propiedades estáticas para después estudiar propiedades de
campos magnéticos variables en el tiempo y, finalmente, propiedades magnéticas de distintos
materiales. En esta, nuestra quinta practica mediremos la fuerza que experimenta un cable conductor
de corriente, cuando se le aplica un campo magnético constante. En particular determinaremos la
magnitud y dirección de la fuerza que se ejerce sobre el material conductor, como función de su
longitud y corriente que circula a través de el.
Nota: Por favor lean la práctica completa antes de empezar a hacer cualquier medida. Si al
terminar de leer la practica algún párrafo o pregunta no esta clara, pregunten.
Nota especial sobre seguridad: En esta práctica trabajaremos con corrientes relativamente altas.
Por esta razón sera muy importante que cubran las partes conductoras del sistema que emplearemos
con un material no conductor. Es muy importante para su seguridad que entiendan y sigan las
indicaciones que se les sugerirán a lo largo de la practica.
Objetivos.
1.- Determinar el sentido y la magnitud de la fuerza magnética ejercida sobre un alambre conductor,
cuando se le coloca bajo la influencia de un campo magnético constante.
2.- Establecer la relación funcional de la fuerza medida con respecto a: la corriente circulada sobre
el cable, la intensidad del campo magnético y la longitud del conductor.
3.- Estimar a partir de estas mediciones, la intensidad del campo magnético aplicado al conductor y
determinar la velocidad de deriva de los electrones dentro del conductor.
Conceptos fundamentales a revisar:
1.- Revisar el concepto de campo magnético, unidades, definición, relaciones vectoriales.
2.- Revisar la definición vectorial de la ley de Lorentz.
3.- Revisar la expresión para fuerza por unidad de longitud, en un alambre que conduce una
corriente dada, en presencia de un campo magnético constante y uniforme.
4.- Repasar el concepto de conductividad, corriente de desplazamiento y velocidad de deriva de
electrones en un conductor.
Material
1.2.3.4.5.-
Balanza de masas, con precisión de .01 gr.
1 soporte.
1 fuente de corriente con rango de 0 a 5 Ampere.
1 sistema conductor con terminales intercambiables marca ACME.
Terminales intercambiables de circuito impreso, con conductores de distinta longitud.
6.- Un imán permanente.
7.- Un amperímetro con escala de 0 a 10 amperes.
8.- los datos reportados en la tabla I.
Tabla 1. Longitud de las terminales intercambiables:
Numero de terminal
SF40
SF37
SF38
SF39
SF41
SF42
Longitud cm.
1.2
2.2
4.2
3.2
6.4
8.4
Instrucciones generales:
1.- Montar el sistema conductor en el soporte proporcionado. Diseñar una cubierta con cartulina o
cartón, de tal manera que se aseguren que los contactos no serán tocados accidentalmente durante la
realización del experimento. La cubierta debe permitir la conexión del sistema. Tomen suficiente
tiempo en diseñar esta cubierta, es muy importante para que puedan hacer el experimento con
tranquilidad y con seguridad.
2.- montar el circuito impreso con longitud más pequeña (SF40) en las terminales del sistema
conductor.
3.- Colocar el imán permanente sobre la báscula digital, y orientar el imán como se muestra en la
figura 3 de las copias. Asegúrense que el plano del circuito impreso sea paralelo a la ranura del
imán. (Advertencia: en este punto la fuente debe estar apagada. Asegurarse que el imán no toca las
terminales del circuito impreso, el fin es evitar un corto accidental).
4. conectar el circuito mostrado en la figura 3 de las copias en Ingles. Asegurase que la escala del
amperímetro esta colocada en el rango de 0 a 10 amperes. Antes de encender la fuente, asegúrense
que las perillas de corriente están puestas en cero. (Advertencia: Sean muy cuidadosos al arreglar
sus circuitos. Eviten que queden partes expuestas de los conectores. SI alguna parte de la conexión
con la fuente o el amperímetro queda expuesta, pidan cinta de aislar y cúbranla antes de encender la
fuente. Se pide que usen la escala de 0 a 10 en el medidor por que los amperímetros tienen fusibles
para evitar que se usen corrientes mayores que el rango máximo. Usando la escala de 10 se aseguran
que no superaran este rango).
Instrucciones especificas:
Una vez que tengan el arreglo mostrado en la figura 3, que hayan verificado que la balanza esta
cubierta y las conexiones de su circuito correctamente cubierto:
1.- Enciendan la balanza digital. Coloquen la escala de la balanza a cero, presionando el botón
“tare”.
2.- circular corriente de aproximadamente 1 ampere a través del circuito. Si la fuerza es negativa
(esto es, que el campo este levantando el imán mas que presionarlo), reduzcan la corriente a cero
nuevamente y cambien la orientación de el imán (gírenlo 180 grados).
Pregunta 1. Determinar el sentido de la corriente, el sentido del campo magnético y el sentido de
la fuerza aplicada. ¿En que dirección fluyen los electrones?, ¿en que dirección apunta el vector de
corriente eléctrica? En base a las dos preguntas anteriores, ¿en que dirección esta orientado el campo
magnifico en el sistema?
Fuerza magnética en función de la corriente a longitud fija.
3.- Con la terminal SF40 mostrada, hacer una grafica de la magnitud de la fuerza (obtener la fuerza a
partir de la medida de masa, multiplicando por el factor g. usar unidades MKS) como función de la
corriente. EL intervalo de corriente sera de 0 a 2 amperes en incrementos sugeridos de .2 amperes.
4.- Ajustar una recta a los datos por mínimos cuadrados. Hacer un registro de la pendiente de la
recta, obtenida a partir del ajuste para esta longitud.
5.- Repetir los pasos 3 y 4 con el resto de las longitudes disponibles Para realizar esto:
(Importante)
a) poner la corriente de la fuente a cero, y apagarla antes de cambiar el circuito impreso que
vayan a usar y antrd de remover la protección.
b) reemplazar la terminal SF40 por otra, cubrir nuevamente las terminales y zonas expuestas del
circuito.
b) Una vez que estén seguros que el arreglo experimental es seguro (i.e. el imán no esta tocando el
circuito, y que las superficies expuestas de conductores han sido cubiertas) repetir los pasos 3 y 4
con las nuevas terminales.
Fuerza magnética en función de la longitud.
6.- extraer datos específicos de fuerza medidos a corriente fija (por ejemplo a 2 amperes), para
distintas longitudes. Graficar estos datos y ajustar los datos con una recta, usando mínimos
cuadrados. Hacer un registro del valor de la pendiente.
Pregunta 2. Que relación puedes inferir a partir de las pendientes obtenidas en los ajustes de los
datos Fuerza-corriente comparadas con el valor obtenido en el punto 6 (fuerza contra longitud del
alambre.
Pregunta 3. En base a estas observaciones, ¿puedes sugerir la dependencia funcional entre la fuerza
ejercida sobre un alambre conductor en función de la corriente aplicada y la magnitud de un campo
estático y constante?
Pregunta 4. Usando la relación funcional que inferiste: ¿Cuál es tu estimación del valor de campo
magnético producido por el imán?
Pregunta (5) –opcional- . Asumiendo que los alambres conductores tienen una resistividad
eléctrica, ρ=1.47 x10-8 Ω.m (plata), un grueso de línea de 0.01 mm., y un ancho que ustedes
medirán: ¿podrían hacer una estimación de la velocidad de deriva de los electrones en el conductor,
para una corriente de 2 amperes, y para una longitud de 4.2 cm. (circuito SF38)? (lo importante en
esta pregunta es el orden de magnitud. Considerando esta velocidad de deriva, ¿podrían estimar
cuanto tiempo le toma típicamente a un electrón para atravesar el la parte recta que esta frente al
conductor?