Campo Magnetico De Un Solenoide

Octubre 29, 2009

Departamento de Física

Código: Fis 1033-03 Laboratorio de Física Eléctrica

©Ciencias Básicas Universidad

del Norte - Colombia

CAMPO MAGNETICO DE UN SOLENOIDE Alida Marimon Email: [email protected] Ingeniería mecánica

Jonathan Figueroa Oñate E-mail: [email protected] Ingeniería mecánica

Resumen En esta experiencia se realizo con el fin de estudiar a fondo las múltiples características del campo magnético en el interior de un solenoide o bobina, teniendo los factores como la dirección del campo magnético según su intensidad de corriente es axial o radial. Luego de haber realizado esta experiencia con los datos obtenidos determinar un margen de error con respecto a valor teórico dado. Abstract In this experiment was performed in order to study thoroughly the many features of the magnetic field inside a solenoid or coil, taking factors like magnetic field direction as its current is axial or radial. After having performed this experiment with the data obtained to determine a margin of error with respect to theoretical value Daden this experience was performed in order to study thoroughly the many features of the magnetic field inside a solenoid or coil, with the factors as the magnetic field direction as its current is axial or radial. After having performed this experiment with the data obtained to determine a margin of error with regard to the theoretical value given.

Introducción Las fuerzas características de los imanes se denominan fuerzas magnéticas. El desarrollo de la física amplió el tipo de objetos que sufren y ejercen fuerzas magnéticas. Las corrientes eléctricas y, en general, las cargas en movimiento se comportan como imanes, es decir, producen campos magnéticos. Siendo las

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cargas móviles las últimas en llegar al panorama del magnetismo han permitido, sin embargo, explicar el comportamiento de los imanes, esos primeros objetos magnéticos conocidos desde la antigüedad. El término magnetismo tiene su origen en el nombre que en la época de los filósofos griegos recibía una región del Asia Menor, entonces denominada Magnesia; en ella abundaba una piedra negra o piedra imán capaz de atraer objetos de hierro y de comunicarles por contacto un poder similar. A pesar de que ya en el siglo VI a. de C. se conocía un cierto número de fenómenos magnéticos, el magnetismo como disciplina no comienza a desarrollarse hasta más de veinte siglos después, cuando la experimentación se convierte en una herramienta esencial para el desarrollo del conocimiento científico. Gilbert (1544-1603), Ampére (1775-1836), Oersted (1777-1851), Faraday (1791-1867) y Maxwell (1831-1879), investigaron sobre las características de los fenómenos magnéticos, aportando una descripción en forma de leyes, cada vez más completa. Los fenómenos magnéticos habían permanecido durante mucho tiempo en la historia de la ciencia como independientes de los eléctricos. Pero el avance de la electricidad por un lado y del magnetismo por otro, preparó la síntesis de ambas partes de la física en una sola, el electromagnetismo, que reúne las relaciones mutuas existentes entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas. James Clark Maxwell fue el científico que cerró ese sistema de relaciones al elaborar su teoría electromagnética, una de las más bellas construcciones conceptuales de la física clásica 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: 1. Comparar los valores experimentales y teóricos del campo magnético. 2. Determinar la dirección del campo magnético en el interior de un solenoide. 3. Explicar las características de la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide.

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Marco teórico La fuerza magnética es la parte de la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz que mide un observador sobre una distribución de cargas en movimiento. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. Magnetismo: El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que enlaza ambas fuerzas, es el tema de este curso, se denomina teoría electromagnética. La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia. Solenoide: Un solenoide es definido como una bobina de forma cilíndrica que cuenta con un hilo de material conductor enrollada sobre si a fin de que, con el paso de la corriente eléctrica, se genere un intenso campo eléctrico. Cuando este campo magnético aparece comienza a operar como un imán. La función principal de un solenoide es activar una válvula que lleva su mismo nombre, la válvula solenoide. Esta válvula opera de acuerdo a los pulsos eléctricos de su apertura y de su cierre. Por lo general, este tipo de dispositivo se puede programar según ciertos horarios y dentro de sus usos más comunes se encuentran los sistemas de regulación hidráulica y neumática. Dentro de este último campo, es frecuente utilizarlo para permitir el flujo o realizar la detención de corrientes de alto amperaje en los motores de arranque. Debido a su funcionamiento, es posible encontrar solenoides en varias partes de un motor, no sólo en el motor de arranque. Para hacer que uno de estos dispositivos cumpla sus funciones, es necesario aplica corriente positiva a uno de sus terminales. Se aplican cargas positivas y no negativas ya que esta última está aplicada en el momento en que se instala, en la tierra. En el único caso en que este principio no es aplicable, es para los motores de arranque.

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Procedimiento.

Procedimiento. 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.

4.1. 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

4.2. 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..

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A l am p lificad or de poten cia

M A G N ET IC FIE LD S EN S O R

C I- 6 520 A

4.3. Toma de datos 1.

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

2.

Seleccione campo AXIAL RADIAL/AXIAL en el sensor.

3.

Vuelva a poner el sensor a la posición próxima al solenoide..

4.

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)

5.

Anote el valor de la intensidad de la corriente, que marca el indicador digital, en la sección 2 del informe de laboratorio.

6.

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.

7.

Anote la lectura de la componente axial de campo magnético en el interior del solenoide.

8.

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.

9.

Configure el equipo de tal manera que se puedan observar los datos en modo gráfico: intensidad del campo magnético [B]– tiempo[t].

10.

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.

pulsando

el

conmutador

de

selección

11. Configure el equipo de tal manera que se puedan observar los datos en modo gráfico: intensidad del campo magnético [B]– corriente [ I ]

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12. 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. 13. Repita el procedimiento anterior para un número de espiras diferentes en el solenoide 14. Mida la longitud de la bobina solenoide •

Nota: Cuando mida la bobina, asegúrese que sólo mide la longitud del solenoide con la bobina enrollada y no el solenoide entero.

5.

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? Pregunta 2: ¿ Cómo es la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación a la posición? 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? Pregunta 4: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y el número de espiras del solenoide? 1. Calcule el valor teórico del campo magnético dentro de la bobina utilizando la corriente medida , su longitud, y el número de espiras del solenoide. 2. Determine la pendiente de la recta del campo magnético en función de la intensidad de corriente para cada gráfica. 3.

Compare este valor con el valor teórico obtenido de la fórmula que usted investigó.

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Pregunta 5: Calcule el error en el valor del campo magnético. ¿A qué factores cree usted que se debe la diferencia obtenida? Grafica y análisis grafico

Análisis de datos

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Apoyándose en las gráficas y en los resultados de las mediciones realizadas 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?] Rta: la lectura axial de un campo magnético en el interior de un solenoide es prácticamente cero o nula pero la lectura radial del mismo campo magnético muestra el incremento de corriente en el interior de dicho solenoide Pregunta 2: ¿Cómo es la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación a la posición? Rta: la relacion que podemos encontrar entre la posición y la magnitud de un campo magnetico en el interior de un solenoide es que hay mayor magnitud de campo en el centro del solenoide y a medida que este fluye hasta los extremos la intensidad del campo disminuye.

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? Rta: la relación que existe entre la intensidad de corriente y la magnitud de un campo en el interior de un solenoide es directa ya que si aumentamos la intensidad de corriente el campo aumentara en dicha proporción . Pregunta 4: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y el número de espiras del solenoide? 1.Calcule el valor teórico del campo magnético dentro de la bobina utilizando la corriente medida, su longitud, y el número de espiras del solenoide. Rta: B= 0NLIμ B= 4πx10-7T mA 29200.108 m 0.13A∙ ∙ = 4.41x 10-2 T 2.Determine la pendiente de la recta del campo magnético en función de la intensidad de corriente para cada gráfica .Rta: la pendiente m, según la grafica campo versus corriente, es de 3.25T medido en tesla; reperesenta el valor de miu por N ( el nuero de vueltas ).

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Determine la pendiente de la recta del campo magnético en función de la intensidad de corriente para cada gráfica. Compare este valor con el valor teórico obtenido de la fórmula que usted investigó. Conclusión El campo magnético para una bobina está relacionado con la intensidad de corriente y de no de espiras proporcionalmente; siendo el campo total la suma de todos los db. En el interior de la bobina el campo es constante y adquiere el valor máximo y decrece hacia los extremos. El campo depende de la intensidad de corriente, numero de espiras y la longitud de la bobina. Bibliografía [1] http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/Usrn/fisica/campob.htm#6.1.[2] Castro Castro Darío, Olivos Burgos Antalcides, Física electricidad para estudiantes de ingeniería, ediciones uninorte