FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO

DEPARTAMENTO de FÍSICA de la MATERIA CONDENSADA

CORRIENTE INDUCIDA EN UN SOLENOIDE. EL TRANSFORMADOR.

Práctica de Laboratorio E9

eman ta zabal zazu

universidad euskal herriko del país vasco unibertsitatea

Departamento de Física de la Materia Condensada

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FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA

Práctica de Laboratorio E9

CORRIENTE INDUCIDA EN UN SOLENOIDE. EL TRANSFORMADOR. Objetivos

El objetivo fundamental de esta práctica es observar la inducción electromagnética, mediante la reproducción de los experimentos iniciales que condujeron a su descubrimiento, y la realización de otros experimentos básicos relacionados con ella. Repaso de teoría Ley de Lenz. Ley de Faraday. Galvanómetro. Transformador. Material

Varios imanes (tres o cuatro), varias bobinas (también tres o cuatro), un amperímetro de cuadro móvil (analógico), un generador de corriente continua, una resistencia de unos 50 ó 100 Ω, un interruptor, un generador de corriente alterna y un voltímetro. Fundamento teórico

Si por un circuito que encierra una cierta área, por ejemplo una espira, se hace variar en el tiempo el flujo de campo magnético que lo atraviesa, se induce una corriente eléctrica. La magnitud de esta corriente eléctrica es proporcional a la velocidad con que varía el flujo de campo magnético. Si en lugar de una sola espira tenemos N espiras formando un solenoide, como el flujo es N veces mayor que en una sola espira, la corriente eléctrica inducida será también N veces mayor.

En cualquier caso, se puede determinar la dirección de la corriente inducida atendiendo a lo siguiente:

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Cualquier corriente eléctrica produce un campo magnético. El sentido de la corriente determina el sentido del campo magnético. En la figura 1, se ve el sentido del campo magnético producido por una espira. Por extensión, se ve el que es creado por un solenoide, en la figura 2.

Si en un circuito que encierra una superficie cerrada la cantidad de campo magnético aplicado que la atraviesa disminuye con el tiempo, entonces la corriente inducida produce un campo magnético adicional que se opone al decrecimiento del primero. Por el contrario, si el flujo del campo magnético aplicado aumenta con el tiempo, el campo producido por la corriente inducida es opuesto al aplicado, oponiéndose a su aumento. En definitiva, la corriente inducida tiende siempre a restablecer el flujo magnético original.

Un dispositivo basado en el fenómeno de la inducción es el transformador. En este aparato se induce a partir de una corriente alterna dada, otra señal con diferente voltaje e intensidad. Un transformador típico consta de dos bobinas atravesadas por un núcleo común de hierro dulce. La primera bobina, formada por un número de espiras N1, está conectada a una fuente de corriente alterna de voltaje efectivo V1. La variación en el tiempo de la corriente en la bobina 1, debida a que la corriente es alterna, produce por inducción un voltaje V2 en la segunda bobina que consta de N2 espiras. De acuerdo a las leyes de la inducción, dicho voltaje viene dado por la expresión V2=(N2/N1) V1 (1)

Figura 1: Espira Figura 2: Solenoide

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El núcleo de hierro tiene la finalidad de "conducir" el campo magnético; es decir, de la misma forma que un metal es buen conductor de la corriente eléctrica, el hierro es "buen conductor" de las líneas de campo magnético porque se imana fácilmente. De esta manera, el flujo de campo que atraviesa a una bobina, atraviesa también a la otra. El hecho de que el hierro sea dulce implica que haya pocas pérdidas de energía debido a los procesos de imanación y desimanación (procesos de "conducción" del campo magnético). Descripción de los aparatos

Los imanes que vamos a utilizar tienen pintado un extremo de rojo, ése es el polo norte; el extremo blanco es el polo sur. En la figura 3 se ve el campo producido por un imán.

Un galvanómetro es un instrumento que se utiliza para detectar y medir corriente eléctrica. El galvanómetro que usaremos en esta práctica aparece representado en la figura 4. Según el valor de la corriente a medir este galvanómetro tiene tres escalas diferentes: una hasta 50µA, otra hasta 500µA y otra hasta 5mA. Para medir con el galvanómetro, un cable se introduce en uno de estos conectores (conectores rojos) y el otro se introduce en el conector marcado con 0 (conector negro). Se recomienda empezar utilizando la escala de 5 mA y si se quiere mayor sensibilidad pasar a la escala de 500µA. (No hay que utilizar la escala de 50µA). El galvanómetro mide un valor positivo si la corriente entra en el galvanómetro por la conexión roja y un valor negativo cuando la corriente entra por la conexión negra (0). Este modelo de galvanómetro tiene un botón que es necesario apretar para que mida. Así, únicamente medirá cuando se tenga el botón apretado.

Figura 3: Campo magnético Figura 4: Galvanómetro producido por un imán

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Método operatorio

Los resultados de esta práctica son cualitativos en su mayoría. Las respuestas a las preguntas de este guión podrán y, en algunos casos, deberán ir acompañadas de dibujos que las hagan más claras. 1) Observar el sentido del enrollamiento de una bobina de 2000 espiras (una flecha en la bobina lo indica). Conectar el galvanómetro a la bobina, de forma que se pueda hacer un diagrama similar al de la figura 5, ( el galvanómetro lo utilizamos para medir intensidades, por eso en la figura viene representado por una A).

a) Mover de forma brusca el imán hacia la bobina, en la forma indicada en la figura 5 (con el polo norte hacia la bobina). Simultáneamente, observar utilizando el amperímetro si se produce alguna corriente en la bobina. Teniendo en cuenta el sentido del campo producido por el imán, comprobar si se cumplen las leyes de la inducción electromagnética. Tener en cuenta que cuanto más cerca esté el imán de la bobina, habrá más líneas de campo que la atraviesen, y por tanto más flujo, ¿está todo de acuerdo con las leyes de la inducción electromagnética? Para contestar, hacer un esquema gráfico en el informe. Nota: Tener en cuenta que el galvanómetro da un valor positivo si la corriente entra en él por la conexión roja y un valor negativo cuando la corriente entra por la conexión negra (0).

b) Repetir alejando el imán de la bobina en la misma orientación. c) Repetir acercando el imán en el sentido contrario con el polo sur hacia la bobina. d) Repetir alejando el imán de la bobina con el polo sur hacia la bobina.

En cada caso, determinar el sentido del campo magnético del imán, y si está aumentando o disminuyendo con el tiempo la cantidad de campo que atraviesa el circuito. Observar con

Figura 5

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el galvanómetro cuál es el sentido de la corriente inducida y determinar si todo está de acuerdo con lo afirmado en el fundamento teórico. Expresar los resultados mediante dibujos similares al de la figura 5 en los que quede claro el sentido del arrollamiento de la bobina, el sentido del movimiento del imán y el sentido de la corriente inducida. Dibujar bobinas que tengan el mismo sentido de arrollamiento que las utilizadas en el experimento. 2) Estudiar las diferencias en la corriente inducida cuando se mueve el imán hacia la bobina rápidamente, y cuando se mueve más despacio. Comparar el efecto que produce mover una sola barra de imán con el que produce mover varias barras de imán, con los polos del mismo signo juntos, y manteniendo la misma velocidad de acercamiento que se ha usado para una única barra. ¿A qué se deben las diferencias observadas? 3) En lugar de utilizar un imán, se puede usar, para realizar el experimento del apartado anterior, una bobina por la cual circula una corriente. Conectar una de las bobinas de 2000 espiras a la fuente de corriente continua (negra, con 6 V de entrada). Colocar una resistencia de 100 Ω y un interruptor en serie con la bobina. Esta debe estar atravesada por un núcleo de hierro dulce, el cual, a su vez, debe atravesar a otra bobina de 2000 espiras. La segunda bobina debe conectarse al amperímetro (galvanómetro) en la misma forma que en el apartado anterior, en la escala de 5mA. El esquema de montaje está en la figura 6. La resistencia debe ser lo bastante alta como para que la corriente que atraviese la bobina no la recaliente. Al pulsar el interruptor, la corriente que pasa por la primera bobina hace que ésta actúe como un electroimán produciendo un campo magnético. Dicho campo magnético se conduce mediante el núcleo de hierro dulce y atravesará por el interior de la segunda bobina. Así, en este montaje la primera bobina desempeña el papel del imán en el

Figura 6

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apartado anterior. Variar el flujo magnético que atraviesa la segunda bobina abriendo o cerrando el interruptor. Describir y explicar lo observado. Explicarlo. ¿Están los resultados de acuerdo con la teoría?. Si el interruptor permanece cerrado, con una corriente estable en la primera bobina, ¿hay corriente inducida en la segunda?, ¿debería haberla?. Para una mejor comprensión de los resultados, realizar DOS esquemas similares al de la figura 6 (uno mostrando lo que pasa al abrir el circuito y otro al cerrar). Indicar claramente los sentidos de arrollamiento de las bobinas y los sentidos de los campos magnéticos y de las corrientes eléctricas en la bobina primaria y secundaria. Dibujar bobinas que tengan el mismo sentido de arrollamiento que las utilizadas en el experimento.

4) El transformador Montar el circuito de la figura 7. Usar un generador de corriente alterna activado en señal sinusoidal como fuente de alimentación. Conectar dos voltímetros en el circuito tal como indica la figura 7, los dos deben estar en lectura “AC”. En esta posición el voltímetro señala el valor efectivo del voltaje sinusoidal que observa. El voltaje V1 medido por uno de ellos es el voltaje entre los bornes del generador de corriente alterna, mientras que el otro mide el voltaje V2 de la señal de salida en la otra bobina.

a) Teniendo en cuenta el número de espiras de cada bobina, medir V1 y V2 y comprobar si se cumple la ecuación (1). Esta ecuación se cumple sólo de forma aproximada, y el grado de cumplimiento puede variar con la frecuencia de la señal introducida. En general, las pérdidas de flujo magnético hacen que el dispositivo no sea tan eficiente, y el factor

!

N2

N1

en la ecuación (1) hay que multiplicarlo por un

factor f <1.

Figura 7: Transformador

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b) Fijar la frecuencia del generador a 50Hz y poner las dos bobinas de 2000 espiras. A partir de la razón

!

V2

V1

determinar el factor f (<1) que corrige la ecuación (1).

Modificando el voltaje de entrada V1 comprobar que este factor f es aproximadamente independiente de dicho voltaje. Usar los valores obtenidos para calcular el valor medio de f y su error.

c) Sustituir la bobina de salida por otra de 400 espiras, y observar el cambio en V2. De acuerdo con la ecuación (1), corregida con el factor de pérdida f, se debe cumplir que:

!

N2

N1

=1

f

V2

V1

(2)

Suponiendo que el valor de f es constante y coincide con el obtenido en el caso anterior, comprobar que el valor de

!

N2

N1

deducido de esta ecuación es

aproximadamente el obtenido mediante el cociente del número de espiras. Hacer el cálculo de

!

N2

N1

para diferentes valores del voltaje de entrada V1, y así determinar su

valor medio y su error. Ejercicios Previos 1) Teniendo en cuenta la ecuación (2), determinar explícitamente la expresión de

!

"N2

N1

( )

en función de los errores de f, V1 y V2.