437048929-Informe-Practica-3-Electricidad-y-Magnetismo

Vista previa del material en texto

Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Estudios Superiores
Plantel Aragón
INGENIERIA ELECTRICA
CLASE “ELECRTRICIDAD Y MAGNETSIMO”
TRABAJO
TEMA: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
GRUPO:8510
NOMBRE DEL PROFESOR: RODOLFO ZARAGOZA BUCHAIN
NOMBRE DEL ALUMNO: CORTES HERNANDEZ RICARDO 
FECHA DE ENTREGA: NOVIEMBRE DEL 2022
 
Electricidad y magnetismo.
Omar David Vargas Bonett
 Departamento de Ingeniería Electrónica y de Telecomunicaciones
Universidad de Antioquia
Medellín, Colombia
E-mail: odavid.vargas@udea.edu.co
Santiago Ruiz González
Departamento de Ingeniería Electrónica y de Telecomunicaciones
Universidad de Antioquia
Medellín, Colombia
E-mail: santiago.ruiz3@udea.edu.co
Resumen: En el siguiente documento se presenta un análisis detallado de algunas actividades que permiten evidenciar fenómenos electromagnéticos. Se tienen como objetivos visualizar el comportamiento de las líneas de campo de diferentes objetos que generan campos magnéticos (Imanes, hilos y solenoides con corrientes), medir las intensidades de dichos campos magnéticos, estudiar la fuerza magnética entre imanes (Usando un dinamómetro y una balanza de corrientes) y finalmente se pretende evidenciar el fenómeno de la inducción magnética. Pudo evidenciarse la validez de las leyes que describen el fenómeno electromagnético, pues los resultados obtenidos tuvieron mucha coherencia acorde a la teoría.
Palabras claves: Brújula; Corriente; fuerza magnética; imán; inducción magnética; líneas de campo; leyes de Maxwell; sensor Hall; voltaje; 
I. Introducción
La electricidad ha sido uno de los descubrimientos de mayor repercusión en el desarrollo de la sociedad moderna. Pero la electricidad viene acompañada de otro fenómeno conocido como magnetismo, fenómenos que poseen una estrecha relación. La teoría de campos fue desarrollada en el siglo XIX principalmente por Michael Faraday y James Clerk Maxwell, y presenta resultados bien establecidos que describen cualquier tipo de interacción de fenómenos eléctricos y magnéticos. Es por esto que en laboratorio se pretende realizar actividades que permitan evidenciar dichos fenómenos electromagnéticos. En primer lugar, se usaron limaduras de hierro y papel bond para caracterizar los campos producidos por diferentes fuentes de campo magnético tales como bobinas e imanes permanentes. Posteriormente, mediante diferentes experimentos y haciendo uso de los instrumentos adecuados, se caracterizan de forma más específica los campos magnéticos y se describe su influencia sobre los objetos con los que pueden interactuar, estos efectos corresponden principalmente a fuerzas e inducción magnética. 
La teoría en la que se basa el electromagnetismo permite comparar los resultados obtenidos en el laboratorio con dichos principios teóricos y así obtener juicios de valor sobre los mismos. La experiencia en el laboratorio permite afianzar y reforzar los conceptos estudiados.
II. Marco Teórico
Existen diversas fuentes de campos magnéticos, principalmente se puede hablar de bobinas que producen un campo magnético debido a las corrientes que las atraviesan (Ley de Biot-Savart) e imanes permanentes [1].
 
Los imanes permanentes están formados de un material ferromagnético que posee una magnetización intrínseca, por lo tanto, producen un campo magnético permanente. 
Las líneas de campo son una descripción efectiva de los efectos del campo magnético sobre el espacio y permiten caracterizar una fuente de campo magnético. 
Para hallar el campo teóricamente se usa la ley de Ampére [2].
Para un campo uniforme y un alambre que posee N hilos se tiene:
La ecuación analítica de fuerza magnética sobre una corriente viene nada por [3]:
III. Montaje experimental
Actividad 1: Para trazar las líneas de campo en 2D de un imán se necesitan 2 brújulas (disponibles en el laboratorio), un imán el cuál se pone en el centro de una hoja de papel bond de modo que las brújulas se situando en diferentes puntos de la hoja en los cuales se dibuja el punto hacia donde se direccionan sus agujas y finalmente se unen los puntos con una curva. Adicionalmente para percibir las líneas de campo de manera más exacta se pone el imán debajo de la hoja de papel bond y sobre ella se esparce limadura de hierro, como se muestra en la figura 1.a 
 (a) 		 (b)
Figura 1. Montaje para trazar las líneas de campo en 2D de un imán.
Actividad 2: Para trazar las líneas de campo en 2D del alambre recto con corriente se realiza el montaje ilustrado en la figura 2.
Figura 2. Montaje para trazar las líneas de campo en 2D de un alambre recto con corriente.
Se hace uso de una fuente de alimentación MEILI de referencia MCH-303B y se configura a 30V en la sección de voltaje variable, se conectan sus terminales a los terminales del hilo y se obtiene una corriente total de 3.14A, hecho esto se pone sobre el hilo recto el papel bond y se realiza el mismo proceso de la actividad 1 con la brújula y la limadura de hierro.
Actividad 3: Para trazar las líneas de campo en 2D de un solenoide de 3400 espiras prducido por heath company se sitúa sobre dicho elemento una hoja de papel bond, se conectan sus terminales a las de la fuente de alimentación configurada a 30V y se realiza el mismo procedimiento que en las actividades 1 y 2 usando la limadura de hierro.
Figura 3. Montaje para trazar las líneas de campo en 2D de un solenoide con corriente.
Actividad 4: Para realizar la medición de la fuerza magnética entre dos imanes haciendo uso de un dinamómetro se realiza el montaje de la figura 4.
Figura 4. Montaje para encontrar la fuerza magnética entre dos imanes usando un dinamómetro.
Se sujeta en el soporte universal el dinamómetro OHAUS modelo 8264-M y a dicho dinamómetro se fija un imán haciendo uso de una cuerda, y finalmente se sitúa otro imán sobre la base de la mesa para así poder medir la interacción entre estos.
Actividad 5: Para realizar la medición de la fuerza magnética entre dos imanes haciendo uso de una balanza de corrientes se realiza el montaje de la figura 5.
Figura 4. Montaje para encontrar la fuerza magnética entre dos imanes usando una balanza de corrientes.
El sensor de hall es un dispositivo electrónico que permite calcular la magnitud del campo magnético en un punto del espacio. En el laboratorio se contaba con estos dispositivos los cuales estaban conectados a un Arduino y allí se podía observar la medición en el display.
IV. Resultados 
Actividad 1: Se posicionó inicialmente un imán sobre una hoja de papel como se indicó en el montaje y se lograron dibujar las líneas de fuerza que se muestran en la figura 5.a. Luego co0n limadura de hierro se realizó el procedimiento pertinente y se obtuvo el resultado de la figura 5.b.
 (a) 		 (b)
Figura 5. Resultados para las líneas de campo de un imán.
Pude apreciarse la semejanza de los dos métodos en el trazado de las líneas de fuerza.
El mismo proceso se realizó con dos imanes y se obtuvieron los resultados mostrados en la figura 6.
 (a) 		 (b)
Figura 6. Resultados para las líneas de campo de dos imanes.
Una vez más puede apreciarse la relación de las líneas de fuerza del campo magnético usando los dos métodos.
Al medir con el sensor Hall se obtienen los datos de la tabla 1.
	1 imán
	2 imanes
	Distancia (cm)
	Medida Sensor Hall 
	Distancia (cm)
	Medida Sensor Hall
	5
	784
	5
	785
	8
	770
	8
	771
	10
	768
	10
	763
	13
	767
	13
	761
Tabla 1. Valores medidos con el sensor Hall para los imanes.
Puede verse cómo al estar más cerca del imán/imanes la medición con el sensor es de mayor magnitud. 
Actividad 2: Se realizó el montaje del alambre recto con corriente y se obtuvo el resultado de la figura 7. 
Figura 7. Resultados para las líneas de campo de un alambre recto con corriente.
 Claramente se aprecian las líneas de campo que van en la dirección acorde con la regla de la mano derecha.
Actividad 3: Después de realizar el montaje se obtuvo el resultado de lafigura 8.a y al insertar una barra de hierro se obtuvo lo mostrado en la figura 8.b
 (a) 		 (b)
Figura 6. Resultados para las líneas de campo de dos imanes.
Se observa cómo las líneas de campo coinciden con las direcciones esperadas y que al ingresar una barra de un material ferromagnético este se magnetiza, produciendo sus propias líneas de fuerza.
Actividad 4: Después del montaje se obtuvieron los resultados de la tabla 2.
	Imán
	Solenoide
	Distancia (cm)
	Dinamómetro (gf) 
	Distancia (cm)
	Dinamómetro (gf) 
	30.5
	0
	30.5
	15
	22.5
	0
	22.5
	20
	14.5
	10
	14.5
	25
	12
	30
	12
	30
	9
	45
	9
	40
	8
	100
	8
	55
Tabla 2. Valores medidos con el sensor Hall para los imanes.
Como se esperaba, la fuerza magnética es mayor al disminuir la distancia.
Actividad 5: Se realizó el montaje de la balanza de corrientes y se obtuvo que el peso del trozo de papel que estabilizaba la balanza era de 0.03g y dicho trozo de papel estaba a aproximadamente 9cm del punto de apoyo, por lo que generaba una fuerza igual a: 
Actividad 6: Al realizar movimientos con el solenoide a través del solenoide se obtuvo lo siguiente:
	Polo en movimiento
	Acción
	Velocidad
	Voltaje inducido (mV)
	
Norte
	Acercándose
	Rápido
	-40,92 
	
	
	Lento
	-20,92 
	
	Alejándose
	Rápido
	 24,00 
	
	
	Lento
	 19,72 
	
Sur
	Acercándose
	Rápido
	 41,00 
	
	
	Lento
	 26,40 
	
	Alejándose
	Rápido
	-34,00 
	
	
	Lento
	-17,00 
Tabla 3. Ley de Faraday en el solenoide.
Se observa que el signo del voltaje inducido puede ser negativo o positivo. El signo del voltaje inducido es consistente cada vez que se repite el experimento y se puede ver que depende de si se acerca o aleja el polo sur o el polo norte del imán. El singo del voltaje es una característica importante de la ley de Lenz, dado que el voltaje inducido en una espira es tal, que produce una corriente que se opone al cambio de flujo magnético.
 
V. Análisis y discusión de resultados
Pudo verse que las líneas de campo coincidían con las líneas esperadas, ya que en los imanes dichas líneas se dirigen del polo norte al polo sur. Los valores medidos con el sensor Hall en algunos casos no tenía sentido, por lo que se movía y se concluyó que para medir correctamente el campo magnético con el sensor hall, se debe ubicar perpendicular a las líneas de campo. 
La fuerza magnética es inversamente proporcional a la distancia, ya que se obtuvo que a distancias cortas la fuerza magnética es mayor que a distancias largas, y con respecto a la balanza de corrientes pudo verse que la fuerza aumentaba al aumentar la corriente, lo cual coincide con lo esperado de acuerdo a la ecuación 4.
De la tabla 3, la cual muestra la ley de Faraday, se puede observar que los signos del voltaje inducido hacen referencia a la ley de Lenz, la corriente inducida se opone a la variación del flujo magnético
VI. Conclusiones 
· Las líneas de campo nos permiten ver los efectos del campo magnético sobre el espacio y poder caracterizar una fuente de campo magnético, estas van del norte al sur magnético, lo que representa que van del sur al norte geográfico, ya que la tierra se comporta como un imán y este fenómeno se puede ver a través de la brújula.
· Cuando se mide el valor aproximado del campo en el sensor hall en el electroimán rectangular se toman en cuenta dos distancias para ver si el campo aumenta o disminuye con la distancia, y se puede concluir que a 1 cm de distancia el campo B es mayor que a 5cm de distancia lo que quiere decir que su magnitud es mayor entre más cerca este.
· Para determinar la fuerza magnética entre imanes es necesario realizar las medidas con el dinamómetro, y también teóricamente, lo que equivale a decir que la fuerza medida corresponde a la superposición entre la fuerza magnética y el peso del imán y se debe restar el peso, de acuerdo con los resultados obtenidos experimentalmente, el comportamiento con la distancia se dice que la fuerza magnética es inversamente proporcional a la distancia.
· Se encuentra que los materiales ferromagnéticos y las corrientes son las principales fuentes de campo magnético, en el experimento con el núcleo ferromagnético dio a conocer que el campo aumenta cuando el núcleo está dentro de las bobinas, y experimentalmente se observa que se magnetiza esto se conoce gracias a la brújula y el sensor de Hall
· En el experimento de la fuerza electromotriz se puede analizar que esta también tiene que ver con la distancia, ya que entre más lejos se encuentre el imán la fuerza electromotriz inducida en la bobina tiende a cero ya que el campo disminuye con la distancia.
· En la tabla del experimento del acercamiento y alejamiento de los imanes para observar la ley de Faraday se puede observar que los signos del voltaje inducido hacen referencia a la ley de Lenz ya que la corriente inducida se opone a la variación del flujo magnético creado, y esto explica la razón de que el signo del voltaje cambie dependiendo del polo en el que se encuentre el imán.
VII. Referencias
[1] http://teoriabiotsavart.blogspot.com/2013/05/ley-de-biot-savart.html
[2] https://www.youtube.com/watch?v=noJHa47dK5c
[3] http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/magnet/fuerzamag2.html
[4] https://es.khanacademy.org/science/physics/magnetic-forces-and-magnetic-fields/magnetic-flux-faradays-law/a/what-is-faradays-law
[5] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_magnetico/balanza/balanza.htm