Experiencia Del Solenoide

Departamento de Física

Octubre 29, 2009 Código: 1807 Laboratorio de Física electricidad

©Ciencias Básicas Universidad del Norte – Colombia

EXPERIENCIA NO. 9 CAMPO MAGNÉTICO DE UN SOLENOIDE Vanessa Fonseca

Andres Lastra

email: [email protected] Ingenieria Industrial

email: [email protected] Ingenieria industrial

Resumen

Por medio del siguiente informe se busca resaltar las características de un solenoide y sus aplicaciones en motores de rotor por lo que es importante resaltar la importancia del manejo del campo magnético de este, el cual permite su eficiencia máxima. 1. OBJETIVOS

1.1. 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. 1.2.

Específicos:

a. Comparar los valores experimentales y teóricos del campo magnético. b. Determinar la dirección del campo magnético en el interior de un solenoide. c. Explicar las características de la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide. 2. MARCO TEORICO

El solenoide es un alambre aislado enrollado en forma de hélice (bobina) o un número de espirales con un paso acorde a las necesidades, por el que circula una corriente eléctrica. Cuando esto sucede, se genera un campo magnético dentro del solenoide. El solenoide con un núcleo apropiado se convierte en un imán (en realidad electroimán). Se utiliza en gran medida para generar un campo magnético uniforme. 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. 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. 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.

3. 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. 3.1. 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

3.2. 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..

3.3. Toma de datos

A l a m p lificado r d e po ten cia

M A G N ET IC F IEL D S EN S O R

C I-6 52 0 A

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.

pulsando

el

conmutador

de

selección

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. 11. Configure el equipo de tal manera que se puedan observar los datos en modo gráfico: intensidad del campo magnético [B]– corriente [ I ] 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. 4. DATOS OBTENIDOS

Grafica No. 1 intensidad de campo vs. Tiempo donde el pico max. De la grafica representa el valor máximo del campo del solenoide.

Grafico No. 2 intensidad de campo magnético vs. Corriente, ya que la distribución de la corriente hace que la intensidad de campo magnético aumente proporcionalmente al aumento de la corriente, esto genera una pendiente positiva. 5. ANALISIS DE 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? RTA/: Comparando la dirección del campo en las lecturas axiales y radiales es notable que el campo genera de manera axial debido a la distribución de la corriente por el sistema. Pregunta 2: ¿Cómo es la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación a la posición? RTA/: la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide es máxima en todo el centro de su distribución, debido a la naturaleza de los campos magnéticos que se generan de manera cíclica y adoptan una forma elíptica. Por lo que la unión de estas líneas jamás son superpuestas y el punto en el que hay mayor interacción entre ellas es en todo el centro de cualquier objeto, en este caso un solenoide. 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 es que el aumento de dichas es proporcional una entre la otra, por lo que a mayor corriente mayor campo. Pregunta 4: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y el número de espiras del solenoide? RTA/: son directamente proporcionales debido a que a mayor numero de vueltas en una determinada longitud hace que se incremente su campo magnético. •

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 = (4πx10^-7[Tm/A])(3200/0.108m)(0.13A) = 4.84x10^-3 T

•

Determine la pendiente de la recta del campo magnético en función de la intensidad de corriente para cada gráfica. RTA/: m = 346 =μo(N/L); según la experiencia el numero de espiras en el solenoide fue de 2974 vueltas

Pregunta 5: Calcule el error en el valor del campo magnético. ¿A qué factores cree usted que se debe la diferencia obtenida? RTA/: ± 7.599% esto se debe a que el fabricante se acogió a una norma y efectivamente no hay las 3200 vueltas sino menos, además que el resultado experimental en este caso habla mucho más que el teórico. TABLAS, RESULTADOS Y GRAFICAS Intensidad medida Longitud de la bobina primaria Campo magnético teórico

= 0.13 A = 0.108 m = 4.8x 10^-3 T

Campo magnético medido (Tesla) Axial (T)

Radial (T)

4.498x10^-3

≈0

PREGUNTAS PROBLEMÁTICAS 1. ¿Es el campo magnético uniforme en el interior del solenoide? Explique. RTA/: esto es debido a la naturaleza misma del campo magnético el cual distorsiona las cargas de forma elipsoidal o circular en algunos casos, y el solenoide no es la excepción. 2. ¿Qué conclusión puede deducir acerca de las características del campo magnético en el solenoide? Dibuje un gráfico de B contra X que ilustre su respuesta.RTA/: la deducción más clara es que l solenoide es un elemento muy utilizado hoy en día porque con él es fácil controlar las propiedades del campo magnético.

3. ¿Qué efecto tiene en los resultados de la medición “tarar” el sensor lejos de toda fuente de campo magnético antes de la toma de datos? El efecto es que al tararlo en un lugar donde no existe campo magnético presente su lectura inicial y de referencia se hace cero, pero si se toma cerca del campo es posible que el sensor al ser muy exacto tome como referencia un campo magnético y no realice la medición pertinente como se debería realizar.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS  Sears, F.; Zemansky, M.; Young, H.; Freedman, R. Física Universitaria,

Vol. 2. Undécima edición. México, Addison Wesley Longman, 2004. 864p, ISBN: 970-26-0511-3.

 Castro, D.; Olivo, A. Física Electricidad. Para Estudiantes de ingeniería,

notas de clase. Primera edición. Barranquilla: Ediciones Uninorte, 2008. 198p. ISBN: 978-958-8252-49-0.  Lea, S.; Burke, J. Física. La naturaleza de las cosas, Vol. 2. Primera

edición. México: International Thomson Editores, Brooks/Cole, 1999. 493p. ISBN: 968-7529-38-5.  http//:www.wikipedia.com

1998.

Physics,