Mayo 6, 2010 Código: 1676 Laboratorio de Física Electricidad
Paula Cuecha Fernández Email: pcuecha@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial
Wilmer García Pérez Email: wilmerg@uninorte.edu.co Ingeniería Electrónica
Carlos Otero Palencia Email: cjotero@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial
Omar Reales Arrieta Email: oreales@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial
ABSTRACT With the completion of this report is to show the usefulness of magnetic fields and its application to the solenoids, which are nothing more than cylindrical coils, made of coiled wire conductor, are homologous to the parallel plates in the electric field, being These host magnetic field is very important study because it is one of the applications that best explains the laws of magnetism, through an electric current applied to the solenoid can be obtained enormous magnetic fields, is to test the theory that magnetic field varies depending on the number of laps you have the solenoid. RESUMEN Con la realización de este informe se pretende resaltar la utilidad de los campos magnéticos y su aplicación a los solenoides; que no son mas que bobinas en forma cilíndrica, hechos por alambre enrollado conductor, son homólogos a las placas paralelas en los campos eléctricos, siendo que estos albergan campo magnético, es de mucha importancia estudiarlos porque esta es una de las aplicaciones que mejor explica las leyes del magnetismo, por medio de una corriente eléctrica aplicada al solenoide se pueden obtener campos magnéticos enormes, se pretende comprobar la teoría de que el campo magnético variara dependiendo del número de vueltas que tenga el solenoide.
INTRODUCCION Desde nuestro inicio en el estudio de la física electricidad, sabemos que la materia está compuesta por partículas subatómicas, por experiencias anteriores también comprobamos las propiedades de éstas mismas, y entre uno y otro ensayo, manejamos el concepto de carga, asociado a ello y a el movimiento de una partícula cargada, estudiamos el campo eléctrico que produce, pues es también relevante para este curso relacionar el campo magnético que se relaciona con la misma. El magnetismo ha sido tema de discusión desde la antigua Grecia, cuando fue descubierta la Magnetita, que no es más que un imán natural; sin olvidar que los chinos fueron los primeros en usar imanes como brújulas en el siglo XII. Actualmente encontramos aplicaciones del magnetismo con bandas magnéticas en tarjetas de crédito, éstas guardan la información a través de diminutos dominios magnéticos.
OBJETIVOS General Determinar la relación entre el campo magnético en el centro de un solenoide muy largo y la intensidad de corriente que circula a través de él. Específicos Comparar los valores experimentales y teóricos del campo magnético. Determinar la dirección del campo magnético en el interior de un solenoide. Explicar las características de la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide.
MARCO TEORICO Solenoide: Una definición sencilla es que un solenoide es una bobina y un núcleo de hierro móvil usados para convertir energía eléctrica en energía mecánica. Los solenoides han existido por décadas pero ahora varían en tamaño de menos de un cuarto de pulgada a más de 15 pulgadas de diámetro, con salidas de fuerza desde menos de una onza hasta una tonelada1.
1
Tomado de: http://conceptosdefisica.blogspot.com/2010/01/solenoides.html
Para estudiar a los solenoides, debemos saber que su comportamiento se rige por dos leyes fundamentales: la Ley de Ampere (la línea integral de un campo magnético en una trayectoria arbitrariamente elegida es proporcional a la corriente eléctrica neta adjunta a la trayectoria), y la Ley de BiotSavart (permite hallar el campo magnético producido por una corriente eléctrica estacionaria).
Algunas de sus características:
Figura 1. Conductor formado por espiras en forma de hélice
Las líneas de campo magnética de un solenoide, en el espacio rodeado por la bobina son casi paralelas y están distribuidas de modo uniforme y próximas entre si, lo que hace que el campo sea uniforme en este espacio; y las líneas de campo entre las vueltas se cancelan unas con otras.
Figura 2. Líneas de Campo Magnético para el caso de Solenoide
El caso de un solenoide ideal, se aproxima cuando el espacio entre las vueltas es muy pequeño y la longitud es grande en comparación con el radio, en esta oportunidad el campo fuera de éste es débil comparado con el campo encerrado por las bobinas y tiende a ser uniforme en gran volumen.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En esta experiencia se mide el campo magnético dentro de un solenoide y se compara con el campo magnético teórico basándose en el valor de la intensidad de corriente que circula a través del solenoide. Se utiliza el sensor de campo magnético para medir el campo magnético dentro del solenoide cilíndrico. Se utiliza el DataStudio para registrar y medir la intensidad el campo magnético en el interior del solenoide. Se compara el campo magnético medido dentro del solenoide con el campo magnético teórico calculado sobre la base de la intensidad y al número de espiras de alambre por unidad de longitud. 3.1. Configuración del ordenador 1.
Conecte el interfaz al ordenador, encienda el interfaz y el ordenador
2.
Conecte un sensor de campo magnético al Canal analógico A.
3.
Conecte el Amplificador de potencia al canal analógico B del interfaz. Enchufe al cable de alimentación la parte posterior del amplificador de potencia y conecte el cable a una toma de corriente adecuada. Debe ser configurado para un voltaje DC.
4.
Abra el archivo titulado: Data Studio
3.2. Calibración del sensor y montaje del equipo. 1. No se necesita calibrar el Sensor de campo magnético ni el amplificador de potencia. el sensor de campo magnético produce un a tensión que es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético : 10 millivoltios = 10 gauss (donde 10000 gauss = 1.0 tesla 2. Utilice el solenoide que se suministra. Emplee los cables de conexión para conectar la salida del amplificador de potencia a los terminales del solenoide. 3. Coloque el solenoide y el sensor de campo magnético de manera que el sensor pueda introducirse dentro del solenoide.
Al amplificador de potencia
MAGNETIC FIELD SENSOR
CI-6520A
Figura 3. Montaje para realizar la experiencia de Laboratorio, Campo de un Solenoide
3.3. Toma de datos 7.
Mantenga el sensor de campo magnético alejado de cualquier fuente de campos magnético y ponga a cero el sensor presionando el botón de “TARE” en el cuerpo del sensor
8.
Seleccione campo AXIAL pulsando el conmutador de selección RADIAL/AXIAL en el sensor.
9.
Vuelva a poner el sensor a la posición próxima al solenoide..
10. Inicie la toma de datos. Manualmente fije un voltaje de 5.0 voltios DC con el fin que no sobrepase la corriente máxima que suministra el Amplificador de Potencia (cuando esto sucede se enciende el indicador de color rojo) 11. Anote el valor de la intensidad de la corriente, que marca el indicador digital, en la sección 2 del informe de laboratorio. 12. Inserte el extremo del sensor en centro de la bobina. Mueva el sensor hacia arriba y hacia abajo en este punto de la bobina para determinar si la lectura del ordenador cambia significativamente. 13. Anote la lectura de la componente axial de campo magnético en el interior del solenoide. 14. Retire el sensor de campo magnético de la bobina. Seleccione la dirección RADIAL Mantenga el sensor lejos de cualquier fuente de campos magnéticos y vuelva a colocarlo en cero presionando el botón de TARE. 15. Configure el equipo de tal manera que se puedan observar los datos en modo gráfico: intensidad del campo magnético [B]– tiempo[t]. 16. Coloque el sensor en un extremo del solenoide. Inicie la toma de datos. Ahora introduzca lentamente el sensor de tal manera que recorra de un extremo a otro a una rapidez constante. Detenga la medición y guarde la gráfica obtenida. 17. Configure el equipo de tal manera que se puedan observar los datos en modo gráfico: intensidad del campo magnético [B]– corriente [ I ]
18. Coloque ahora el extremo del sensor en el centro del solenoide. Configure la fuente para aumentar el voltaje en pasos de 0.1 voltios partiendo desde cero. Inicie la toma de datos y aumente el voltaje hasta un máximo de 6.0 voltios. ¡Cuide que el indicador rojo de la fuente no se encienda! Guarde la gráfica obtenida. 19. Repita el procedimiento anterior para un número de espiras diferentes en el solenoide 20.
Mida la longitud de la bobina solenoide
4. Análisis de los datos De acuerdo a los datos y gráficos obtenidos en las mediciones conteste las siguientes preguntas:
Pregunta 1: Comparar las lecturas axial y radial del campo ¿qué dirección tiene el campo magnético en el interior del solenoide?
Cuando comparamos las lecturas axial y radial del campo magnético es notorio que la intensidad del campo es muy pequeña de la forma radial, mientras que de la forma axial se presenta una lectura notoriamente más alta, lo cual nos hace llegar a la conclusión que el campo magnético se orienta de forma axial.
Pregunta 2: ¿Cómo es la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación a la posición? En cuanto a la relación de posición el camp, adoptan forma elíptica el centro es máximo, y en los extremos de este mismo es la mitad, es decir, el campo magnético va disminuyendo a medida que se acerca a los extremos del solenoide. Alrededor del solenoide el campo es débil se acerca a cero.
Pregunta 3: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y la intensidad de la corriente que circula por ella? La magnitud del campo magnético en el interior del solenoide y la intensidad de la corriente poseen una relación proporcional, ya que a medida que uno crece el otro también, y viceversa La relación entre el campo magnético del solenoide y la intensidad de la corriente que circula es directamente proporcional.
B
u0 .I .n
Pregunta 4: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y el número de espiras del solenoide?
Al igual que en el inciso previo también es directamente proporcional; con el aumento de las vueltas, el campo se va incrementando.
B u0 .I .n Donde n
N y l es la longitud del solenoide. l
2896.30
PREGUNTAS PROBLEMATOLOGICAS 1. ¿Es el campo magnético uniforme en el interior del solenoide? Explique. El campo magnético es prácticamente uniforme en el interior del solenoide, en los extremos del solenoide se reduce a la mitad del campo magnético en el centro. 2. ¿Qué conclusión puede deducir acerca de las características del campo magnético en el solenoide? Podemos concluir que el campo magnético producido por un solenoide es directamente al número de espiras de este, y además aumenta de acuerdo a la corriente que por el circula. El campo magnético producido en el solenoide es igual a la suma de los campos magnéticos de las espiras que lo conforman. 3. ¿Qué efecto tiene en los resultados de la medición “tarar” el sensor lejos de toda fuente de campo magnético antes de la toma de datos? El resultado obtenido sin tarar el sensor, serian por el principio de superposición, la suma de todos los campos magnéticos percibidos por el observador, que en este caso esta representado por el sensor, por lo tanto los datos arrojados en el software DataStudio no seria la mejor referencia para llevar a cabo el análisis del campo magnético del solenoide.
CONCLUSIONES Anteriormente se había mencionado que para describir el campo magnético de solenoide, se utilizaban, dos leyes, sin embargo solo enunciaremos que por medio de la ley de Ampere:
Esta expresión para el campo magnético es válida para puntos cerca del centro, lejos de los extremos. De manera análoga y más simple obtendremos el mismo resultado para un toroide. Para el caso de los extremos tendremos un valor para el campo dado por:
Este comportamiento lo vemos en la gráfica 1, ver anexos. A manera de ejemplo si suponemos una corriente de 0.13 A: Calculo del valor teórico del campo magnético dentro de la bobina utilizando la corriente medida, su longitud, y el número de espiras del solenoide:
2896.30
-3
4.38x10 T
Existe la posibilidad de que el error de los datos obtenidos se deba al número de vueltas que tiene la bobina, tal vez no es el correspondiente al valor de campo determinado, aunque pueden existir otros factores que son inevitables como la interferencia de otros campos o las condiciones ambientales.
BIBLIOGRAFIA http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/magnetico/cMagnetico.ht ml#Campo%20producido%20por%20un%20solenoide%20en%20un%20 punto%20de%20su%20eje http://es.wikipedia.org/wiki/Solenoide CASTRO, Darío; BURGOS, Antalcides. Física Electricidad para estudiantes de ingeniería. Notas de clase. SERWAY, Raymond. Física Tomo II. Cuarta Edición, McGraw-Hill. Págs. 876-878.
ANEXOS Gráfica 1
Figura 4. Comportamiento del Campo Magnético en un Solenoide
Gráfica 2
Figura 5. Gráfica B vs. I