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LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO N° 6
LEY DE FARADAY
GARCIA CERVANTES NELSY
(Grupo 11)
LUQUEZ ARIAS IVAN JOSE
(Grupo 12)
LIC. JUAN PACHECO FERNANDEZ
DOCENTE
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR
FACULTAD DE INGENIERIAS Y TECNOLOGICAS
VALLEDUPAR
2015-II
INTRODUCCIÓN
La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la
producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o
cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio
móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando
dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este
fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quién lo expresó
indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la
variación del flujo magnético (Ley de Faraday).
La ley de Faraday nos dice que la magnitud de la fem inducida en un
circuito es igual a la razón de cambio del flujo magnético a través del
circuito.
Con todos los experimentos se llegó a la conclusión que la fem se
puede inducir, al igual que la corriente, mediante una simple bobina o
un simple alambre dentro de un campo magnético.
La ley de Faraday es:
Es decir, la fem es inducida en un circuito cuando el flujo magnético a
través de un circuito varía en el tiempo. En la formula denotamos
como , como el flujo magnético. El signo negativo representa la
oposición que existe en los campos inducidos por el flujo magnético y
la fem.
Además el flujo magnético es:
En esta práctica vamos a hacer una observación cualitativa de esta
ley, haciendo uso de bobinas e imanes en distintos montajes.
OBJETIVOS
En esta experiencia el objetivo es comprobar que al moverse
perpendicularmente un conductor en un campo magnético se
obtiene como resultado una corriente inducida.
MARCO TEORICO
Ley de Faraday
La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente
Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday
realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito
cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en
el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera
con el circuito como borde:
Donde
es el campo eléctrico,
es el elemento infinitesimal del
contorno C,
es la densidad de campo magnético y S es una
superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y
de
están dadas por la regla de la mano derecha.
La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se
puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie
con el tiempo.
Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma
diferencial de esta ley:
Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las
ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday,
junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las
ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.
En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior
se transforma en:
Donde e es la fuerza electromotriz inducida y dΦ/dt es la tasa de
variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección de la fuerza
electromotriz (el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de
Lenz.
Ley de Lenz
La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las
corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la
variación del flujo magnético que las produjeron. Esta ley es una
consecuencia del principio de conservación de la energía.
La polaridad de una FEM inducida es tal, que tiende a producir una
corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones
del campo existente producido por la corriente original.
LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Cuando
movemos
un
imán
permanente por el interior de las
espiras
de
una
bobina
solenoide (A), formada
por
espiras de alambre de cobre, se
genera de inmediato una fuerza
electromotriz (FEM), es decir,
aparece una corriente eléctrica
fluyendo por las espiras de la
bobina,
producida
por
la
“inducción magnética” del imán
en
movimiento.
Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda
bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente al circular por esta
otra bobina crea a su alrededor un “campo electromagnético”, capaz
de inducir, a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina
FLUJO MAGNETICO
La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las
corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la
variación del flujo magnético que las produjeron. Esta ley es una
consecuencia del principio de conservación de la energía. La polaridad
de una FEM inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo
campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo
existente producido por la corriente original. El flujo de un campo
magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:
𝚽 = 𝑩 . 𝑺 . 𝑪𝑶𝑺
Donde:
B = Intencidad de campo magnetico
S= superficie del conductor
α = Angulo que forma el conducto y la direccion del campo
Si el conductor esta en movimiento el valor de flujo sera:
𝑑Φ = 𝐵 . 𝑑𝑆 . 𝑐𝑜𝑠𝛼
En este caso la ley de faraday afirma que el FEM inducida en cada
instante tiene por valor :
𝐸=−
𝑑Φ
𝑑𝑡
El signo(-) que se expresa en la formula anterior indica que la FEM
inducida se opone a la variacion del flujo que la produce. Este signo
corresponde a la ley de lenz.
MATERIALES
Una bobina 42 Ω 300mA 200 espirales
Imanes
Dos multímetro UT33C
Cables de conexión
Una fuente (0-30v; 0-1.5A)
PROCEDIMIENTO
1.
Realice el montaje indicado en la figura.
2. Mueva lentamente el imán (acercándolo y alejándolo) en dirección
perpendicular a la del campo y describa lo observado en el
multímetro.
Se agarro un imán rectangular y se movió hacia las posiciones de
arriba a abajo, pasandolo por el
centro de la bobina. En este
proceso se realizo la siguiente
observacion:
*Cuando el polo norte del imán esta
hacia arriba y el polo sur hacia
abajo, se produce una corriente
positiva cuando este entra a la
bobina y una negativa cuando sale.
* Cuando el polo sur del imán esta
hacia arriba y el polo norte hacia
abajo, se produce una corriente
positiva cuando este sale de la
bobina y una negativa cuando entra.
3. Coloque más rápido el conductor dentro del campo y observe el
multímetro.
Al momento de repetir el procedimiento anterior, pero aumentando la
velocidad con que se introducía y se sacaba el imán, se observo que
son los mismos resultados en cuanto a sentidos de la corriente en
cada caso, siendo estos sentidos indicados por el signo. La única
variedad para este proceso es que, aproximadamente, la máxima
corriente producida fue 1000𝜇𝐴.
4. Aumente la intensidad del campo magnético que acerca a la
bobina y explique lo observado en el multímetro.
Cuando aumentamos la intensidad del campo magnético se utilizaron
dos imanes rectangulares simultáneamente. Los sentidos de la
corriente inducida (identificados por el signo mostrado en el
multímetro), permanecieron invariantes a los resultados del inciso 2.
La única diferencia observada fue que la corriente inducida tenía
mayor magnitud.
5. Deje el conductor en reposo dentro del campo magnético y
observe el galvanómetro. ¡Explique!
Al dejar el conductor en reposo dentro
del campo magnético, no se produjo
ninguna corriente inducida. Esto se
evidencia con el hecho de que el
multímetro marcó 0𝜇𝐴
6. Mueva el conductor paralelamente a la dirección del campo
magnético y observe el galvanómetro. ¡Explique
Cuando se movio el imán de derecha a izquierda por los lados de la
bobina, se observó en el multímetro, aproximadamente, una corriente
mínima de -0,04𝜇𝐴 y una máxima de 0,08𝜇𝐴 Esto puede deducir que
cuando se mueve el imán de esta forma, la corriente inducida es muy
mínima o despreciable, considerando la escala empleada. Es decir,
que despreciando lo errores prácticos, la corriente inducida es cero.
7. Conecte los terminales de la bobina a una fuente de corriente
continua, coloque unos alfileres a unos 3cm de distancia de la
bobina y aumente lentamente tanto el voltaje como la corriente
que por ésta pasa. ¡Describa lo observado!
ANALISIS DE RESULTADOS
Esta práctica de laboratorio nos permite entender claramente la
relación entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos,
específicamente, en cómo los campos magnéticos pueden inducir una
corriente y fem a otro conductor, en este caso, a bobinas.
En el primer experimento, lo que hacíamos es observar las lecturas del
voltímetro cuando se introducía el polo norte de un imán a una bobina.
1 Explique por qué se produce corriente eléctrica al mover el
conductor de un campo magnético perpendicular a él.
Debido a que el campo magnético creado por un elemento de
conductor, hace que alrededor de este se creen líneas de fuerzas
curvas y cerradas. En este caso en la bobina circula corriente eléctrica
inducida.
2 ¿Por qué cuando la espira esta quieta o se mueve en la
dirección del campo magnético, no se presenta corriente eléctrica
inducida?
Porque al estar el imán y la bobina en reposo no se presenta corriente
eléctrica inducida debido a que el flujo es constante y por esa razón no
se presenta corriente inducida.
3 ¿Qué sucede al aumentar la velocidad con que se mueve el
conductor en un campo magnético perpendicular a él?
Lo que sucede es que aumenta el campo magnético y al aumentarse
este se aumenta la corriente inducida.
4 ¿Qué sucede cuando se aumenta la densidad del campo
magnético?
Al aumentar la densidad del campo magnético también aumentaban
las líneas de fuerza y por tal razón cuando acercábamos el imán la
medida obtenida aumentaba.
5 Explique el significado físico del signo menos (-) que aparece en
el multímetro.
Este signo corresponde a la ley Lenz, el cual indica que la FEM
inducida se opone a la variación de flujo que la produce.
6 ¿Qué sucederá si cambiamos la polaridad de la corriente que
pasa por la bobina? ¡Explica!
Cambia de sentido la corriente inducida y se invierte el signo de la
lectura
7 Explica la importancia que tuvo la inducción electromagnética
en el desarrollo físico y tecnológico de la humanidad.
La importancia física de este fenómeno fue enteramente revelada por
Thomas Graham y Johann Josef Loschmidt. Faraday tuvo éxito al
lograr licuar diversos gases, investigó la aleación del acero y produjo
varios nuevos tipos de vidrio destinados a fines ópticos. Un ejemplar
de estos pesados cristales tomaría posteriormente una gran
importancia histórica; cuando Faraday ubicó el vidrio en un campo
magnético descubrió la rotación del plano de polarización de la luz.
Este ejemplar fue también la primera sustancia que se encontró que
era repelida por los polos de un imán además de todo el desarrollo de
las telecomunicaciones que nos ha permitido entrar a un mundo
globalizado.
CONCLUSIONES
Por medio de campos magnéticos obtenidos de bobinas
energizadas con corriente AC se pudo generar e inducir una
fuerza electromotriz sobre el imán.
En la práctica concluimos que la f.e.m. depende de la variación
del campo externo con respecto al tiempo y del tipo de núcleo
que se coloque en la bobina.
También concluimos que a medida que aumenta la corriente y el
voltaje hay mayor atracción del campo. Esto lo pudimos
comprobar con los alfileres.
BIBLIOGRAFIA
 Alonso, M. Finn, J.E., Física, volumen 2, Addison-Wesley
Iberoamericana, México, 1995.
 P. G. Hewitt, Física conceptual, Addison Wesley–Longman,
segunda edición, 1998.
 L. E. Folivi y A. Godman, Física, Voluntad–Logman, segunda
edición, 1977.
 Serway, Raymond A. FÍSICA, tomo 2, cuarta edición, McGrawHill, México, 1997.
 Física Universitaria Novena Edición, Sears, Zemansky,
Freedman y Young. Editorial Addison-Wessley Longman.
Volumen 2.