Mayo 13, 2010 Código: 1676 Laboratorio de Física Electricidad Paula Cuecha Fernández Email: pcuecha@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial
Carlos Otero Palencia Email: cjotero@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial
Omar Reales Arrieta Email: oreales@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial
ABSTRACT Faraday's law is the fundamental principle which generates electricity at power plants, this principle is used daily without being noticed in transformers or common electronic devices, through components such as coils or solenoids, which provides in a nutshell a changing magnetic field flux over time produces an electric current variable in time, is emerging here that all major utilities that have this fundamental principle, it is important for understanding and mastering the laws describe the electric and magnetic phenomena.
RESUMEN La ley de Faraday es el principio fundamental por el cual se genera energía eléctrica en las plantas generadoras, este principios es usado a diario sin ser notado en transformadores o aparatos electrónicos comunes, por medio de componentes como bobinas o solenoides, establece en resumidas cuentas que un flujo de campo magnético variable en el tiempo produce una corriente eléctrica variable en el tiempo, es de aquí donde surgen todas las grandes utilidades que tiene este principio fundamental, es importante para la compresión y dominio de las leyes describen los fenómenos eléctricos y magnéticos.
INTRODUCCION A diario en nuestras casas o entornos disfrutamos de las bondades de las leyes de la electricidad, que describen comportamientos y propiedades de fenómenos magnéticos y eléctricos sin ni siquiera notarlos, como el caso de los transformadores de voltaje que se encuentran en los postes que llevan las líneas de alta tensión que suministran la energía eléctrica a nuestras casas, o en cualquier aparato electrónico que usamos a diario, como celulares, computadoras, o cualquier electrodoméstico, los cuales posen instrumentos que se rigen y funcionan gracias a la ley de Faraday, algunos de esos componentes de los aparatos electrónicos son sencillos en su forma y funcionamiento, pero el uso y diseños de ellos conlleva a un profundo estudio de las leyes de la electricidad, como bobinas, solenoides, lo cuales los podemos encontrar en los transformadores, licuadoras, aire acondicionados, etc. El principio básico de la ley de Faraday establece con flujos de campos magnéticos variables en el tiempo, se obtienen corrientes (Fem) variables en el tiempo, esto es de gran utilidad, ya que este es el principio básico y mas fundamental para la generación de energía eléctrica en las plantas generadoras, a partir de ella se derivan muchas otras leyes, pero no cabe duda que esta es la más importante para estas plantas, por ellos se hace importante comprender y tener total manejo de dicha ley y lo que ella implica. Para este efecto es posible hacer demostraciones prácticas, como desarmar un transformador de energía o un motor que funcione con bobinas y observar en la realidad como se comportan las variables que forman la ecuación que describe la ley de Faraday.
MARCO TEORICO Ley de Faraday; 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:
Vε Ley de Lenz Los estudios sobre inducción electromagnética, realizados por Michael Faraday nos indican que en un conductor que se mueva cortando las líneas de campo de un campo magnético se produciría un voltaje inducido (Vε) y si se tratase de un circuito cerrado se produciría una corriente inducida. Lo mismo sucedería si el flujo magnético que atraviesa al conductor es variable. La ley de Lenz nos dice que los voltajes inducidos serán de un sentido tal, que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía. La polaridad de un voltaje inducido 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:
Donde: Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb). B = Inducción electromagnética. La unidad en el SI es el tesla (T). S = Superficie del conductor. α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo. Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:
EXPERIENCIA Y DISCUSION DE DATOS Explicación de la Gráfica V
vs.
T
a ley de Ampère se enuncia como sigue: Nos dice que la variación del Flujo Magnético en el tiempo produce una FEM inducida. La ley de Ampère enunciada anteriormente aplica para el caso de una espira, pero cuando son varias en un solo dispositivo, como la bobina, tendríamos que:
Donde N, es el número de vueltas que tiene la bobina.
Ahora, observando la gráfica V vs. T:
Figura 1. Gráfica V vs. T
La variación del voltaje en el tiempo es producida por una corriente. Asumimos que este es equivalente a la FEM inducida. Entonces, si el valor del voltaje equivale a la FEM inducida, el área bajo la curva representaría el flujo magnético multiplicado por el número de espiras (320 para la bobina utilizada en la experiencia). El comportamiento de esta gráfica vemos que es sinusoidal, sin embargo vemos que no es simétrica, y podríamos concluir que este comportamiento se debe a los errores de ajuste en la toma de datos, los equipos, como sabemos, nos arrojan datos que tienen cierto porcentaje de error que no es controlable.
¿Qué significan los picos en la gráfica?
Figura 2. Líneas de campo en un imán
Figura 3. Procedimiento realizado en clase, el imán atraviesa la bobina
Al momento de soltar el imán para que este pase a través de la bobina, lo que sucede es que hay una variación en la cantidad de líneas que entran a la bonina.
Por ultimo podemos deducir que, la velocidad con que entra el imán y con la que sale del otro lado de la bobina, son diferentes. El imán atraviesa la bobina inicialmente con una velocidad menor, que cambia a una final mayor, este cambio de velocidad, es decir la aceleración del imán, es gracias a la aceleración de la gravedad.
BILIOGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Lenz http://www.mitecnologico.com/Main/LeyDeFaraday CASTRO, Darío; BURGOS, Antalcides. Física Electricidad para estudiantes de ingeniería. Notas de clase.