Campo Magnetico

Octubre 30, 2009 NRC: 1820 Laboratorio de física electricidad

Departamento de física Ciencias básicas Universidad del Norte

CAMPOS MAGNÉTICOS

Alvaro Javier Acevedo [email protected] Ingeniería Electrónica 200024118

Angel Rodríguez Toscano [email protected] Ingeniería Industrial 200022923

ABSTRACT

Then discuss each of the various changes that have the magnetic field inside a cylindrical coil called a solenoid, by DataStudio and parts we use in the laboratory, studying the relationship between the magnitude of the magnetic field in the within a solenoid and the amount of current flowing through it and the address is of the magnitude within the solenoid.

RESUMEN

A continuación analizaremos cada uno de los diferentes cambios que tiene el campo magnético dentro de una bobina de forma cilíndrica llamada solenoide, por medio DataStudio y los elementos que utilizaremos en el laboratorio, estudiaremos la relación que existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y la intensidad de la corriente que circula por ella y la dirección que tiene la magnitud dentro del solenoide.

OBJETIVO GENERAL
Analizar las características físicas de un campo magnético generado por una fuente (Bobina).

OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar la variación de un campo magnético generado por una bobina cuando la distancia entre esta y el sensor varia.
Analizar la magnitud del campo magnético con respecto a la posición de la bobina.
Determinar la dirección del vector campo magnético generado por la bobina.

MARCO TEORICO

Campo Magnético Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos suelen representarse mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. Todo imán está rodeado por un espacio, en el cual se manifiestan sus efectos magnéticos. Dichas regiones se llaman campos magnéticos. Así como pudimos observar que las líneas de campo eléctrico fueron útiles para describir los campos eléctricos, las líneas de campo magnético, llamadas líneas de flujo, son muy útiles para visualizar los campos magnéticos. Es valioso saber que la dirección de una línea de flujo en cualquier punto tiene la misma dirección de la fuerza magnética que actuaria sobre un polo norte imaginario aislado y colocado en ese punto. En todo imán la líneas de campo salen del polo norte y entran en el polo sur de este y a diferencia de la líneas de campo eléctrico las líneas de campo magnético no poseen puntos iníciales o finales El campo magnético se define como:

Por medio de la formula anterior nos damos cuenta que la densidad de flujo en una región de un campo magnético es el número de líneas de flujo que pasan atreves de una unidad de área. La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro.

¿Qué es un 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. Podemos calcular el modulo del campo magnético dentro del solenoide según la ecuación:

Donde: µ0: el coeficiente de permeabilidad n: densidad de espiras del solenoide i: corriente que circula. Este tipo de bobinas o solenoides es utilizado para accionar un tipo de válvula, llamada válvula solenoide como lo mencionamos anteriormente. 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. Estos motores son controlados por un interruptor, o switch, que impide que el vehículo comience a movilizarse a menos que éste se encuentre en neutro o en parking. Este interruptor está ubicado en la transmisión del vehículo y está conectado eléctricamente a fin de que se mueva junto al movimiento de la palanca de cambios.

Es importante mencionar que existen varios tipos de solenoide, por lo que es lógico que su instalación y conexión también varíe. No obstante, ya se trate de un solenoide u otro, y se le den usos diferentes, todos ellos operan bajo el mismo principio explicado con anterioridad. que responde a pulsos eléctricos respecto de su apertura y cierre. El mecanismo que acopla y desacopla el motor de arranque de los motores de combustión interna en el momento de su puesta en marcha es un solenoide. * http://www.misrespuestas.com/que-es-un-solenoide.html

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. En esta experiencia se utilizo una solenoide didáctico conectado al sensor de campo magnético de la interfaz ScienceWorkshop el cual se coloco en posición axial, se fijo un voltaje de 10v CD y se procedió a hacer las graficas de campo vs corriente y campo vs tiempo. Por cara vez que se realizaba la toma de datos se taraba el sensor para descargar cualquier carga inducida en este.

Al amplificador de potencia

MAGNETIC FIELD SENSOR

CI-6520A CI-6520A

En estas imágenes vemos el solenoide o la bobina y el sensor de campo magnético utilizados en el experimento.

ANALISIS DE LAS GRAFICAS

Grafica # 1 (Axial, Campo vs Tiempo)

En esta grafica nos podemos dar cuenta el comportamiento del campo magnético dentro de la bobina o solenoide, en esta grafica se encuentra de modo axial donde la intensidad del campo magnético en gauss es de 43 aproximadamente, nos dio como resultado dos graficas porque invertimos el orden donde variamos la posición.

Grafica # 2 (Campo magnético vs. Corriente)

En esta grafica podemos observar la relación que existe entre la intensidad de campo magnético y la corriente y la relación que existe entre el voltaje y la corriente, en laboratorio nos pudimos dar cuenta que ha medida que aumentábamos el voltaje que en este

caso era de uno en uno la intensidad del campo magnético también aumentaban, por lo tanto son proporcionales y existe una relación intensidad del campo magnético y voltaje. En la grafica hicimos un ajuste lineal para obtener el valor de la pendiente.

Grafica # 3 (Radial,, Campo vs Tiempo) Tiempo

En esta grafica analizamos la magnitud que tiene la intensidad del campo magnético dentro de la bobina o solenoide de modo radial y nos pudimos dar cuenta que la magnitud del campo es aproximadamente cero.

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? R/. Al tomar la lectura radial del campo se obtuvo una magnitud de aproximadamente cero gauss, mientras que mediante la lectura axial de éste se obtuvo un campo de 43 gauss, con lo cual se puede concluir que el campo al interior del solenoide está en dirección axial. Lo anterior se puede fundamentar a través de la regla de la mano derecha, tomamos al dedo pulgar el sentido de la corriente y los cuatro dedos restantes como la dirección del campo magnético, así se corrobora que la dirección del campo es axial, visto en el salón de clase.

Pregunta 2: ¿Cómo es la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación a la posición? R/. La magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide cuya longitud es muy grande en comparación con su diámetro, en un punto “P” que se encuentre cerca del centro de este, el campo magnético es mas intenso en comparación de otro punto “Q” que se encuentre cerca de los extremos en el cual el campo es exactamente la mitad que en el punto “P”, por lo cual vemos que el campo magnético en un solenoide tiende a ser vas intenso en el centro y mas débil en los extremos de este.

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? R/. La relación que existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y la intensidad de la corriente que circula por ella es que la magnitud del campo en el interior de un solenoide mantiene una relación directamente proporcional con la intensidad de corriente que circula a través de él, ósea si aumentar el voltaje suministrado por la fuente, la corriente aumenta y por ende el campo en el interior del solenoide también.

Pregunta 4: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y el número de espiras del solenoide? R/. Teniendo que la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide esta dada por
  ⁄ donde N es el numero de espiras, podemos notar que dicha magnitud depende tanto del numero de espiras como de la longitud del solenoide, por ende si la longitud L se mantiene constante y N aumenta, B también aumentara y si N disminuye B también disminuirá.

DATOS EXPERIMENTALES

Ahora procederemos a calcular experimentalmente cuantas espiras tiene el solenoide utilizado. De la grafica obtenemos que la pendiente es 0.0331 ⁄ lo cual equivale ha
⁄ y  teniendo que la longitud de la bobina es   0.108  , y   410  , entonces:


   

 
  

0.0331

     



  !0.0331 "   



 0.108 !0.0331 "    410 

Todas las unidades se cancelan y nos queda que el número de espiras experimentales es: #$%& ' ()*+

Teniendo en cuenta que el número de espiras teórico según el fabricante de la bobina es: #,-./01.  (2(3

Con esto podemos calcular el porcentaje de error en el número de espiras totales: 6789:7 ; 6 5  100 45 6789:7 2920 ; 2845 5  100 45 2920 $  (. +? %

Esta diferencia entre los valores del número de espiras se da debido a que el software DataStudio hace un promedio de cuanto vale el campo magnético y la corriente que circula por el solenoide al momento de darnos la pendiente de la grafica de campo vs corriente, medición la cual de por si tiene un margen de error adicionalmente no se tomaron en cuenta todas las cifras decimales de los diversos parámetros. Por estas razones estos valores difieren un 2.56% el uno del otro.

CONCLUSIÓN

De esta experiencia pudimos llegar a la conclusión de que el campo magnético en el interior de un solenoide tiende a ser uniforme en casi todos sus puntos menos en los extremos los cuales son puntos muy particulares, donde si dicho solenoide es muy largo en comparación con su diámetro la magnitud del campo es la mitad de lo que seria en un punto cercano al centro de dicho solenoide.

En esta grafica podemos ver lo que se mencionaba anteriormente el campo en el centro del solenoide es mas intenso que en sus extremos, dado que el campo en el centro de este esta dado por
  A donde n es el numero de espiras por unidad de longitud, mientras que B en los extremos la magnitud del campo es
 C  A . En esta experiencia, pudimos también comprobar que el campo magnético es proporcional a la corriente que pasa por el conductor, como lo vimos en uno de los experimentos, cuando aumentábamos la tensión suministrada por la fuente, aumentaba la corriente, y entre mayor sea esta, mayor será la intensidad del campo en un punto “p” dentro de este, también notamos que fuera del solenoide la magnitud del campo es muy pequeña, de echo casi despreciable ya que esta tiende a cero.