Inf. Solenoide

Octubre 25, 2009 Código: 1033 Laboratorio de solenoide Eléctrica

Departamento de Física ©Ciencias Básicas Universidad del Norte - Colombia

Uriel Quiroga Alba [email protected] Ingeniería Industrial

Jairo Rodríguez Lozada [email protected] Ingeniería Industrial

Abstract Through this lab we will measure the magnetic field along different loops of currents produced by a solenoid. This performed To learn more about the behavior of energy on magnetism.

Resumen Mediante este laboratorio vamos a medir el campo magnético a lo largo de distintas espiras de corrientes producido por un solenoide. Esto se realeza Para conocer más a fondo el comportamiento de la energía sobre el magnetismo.

Introducción Gracias a que el hombre se ha interesado por todos los fenómenos de la electricidad y sus efectos en lo que pasa alrededor a determinado como medir la densidad de flujo magnético a lo largo del eje de simetría de las bobinas o solenoides y compararlos con los valores teóricos. Es por eso que se realiza este laboratorio en el cual vamos a verificar cual es la dimensión del campo en el interior del solenoide a diferentes intensidades de corriente, y volviendo el solenoide con un grado de corriente en un imán (electroimán). Esto se utiliza en gran medida para generar un campo magnético uniforme.

Objetivos 2.1 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. 2.2 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.

Marco Teórico 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. 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, que responde a pulsos eléctricos respecto de su apertura y cierre. Eventualmente controlable por programa, su aplicación más recurrente en la actualidad, tiene relación con sistemas de regulación hidráulica y neumática. 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. 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..

A l am p lifica d o r de p oten cia

M A G N E T IC F IE L D S EN SO R

C I- 652 0 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 pulsando el conmutador de selección 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. 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.

Datos Obtenidos y Análisis Solenoide del lado positivo: Aquí vemos como se refleja el campo magnético del solenoide en el sensor entrando por el lado positivo del solenoide. Como podemos apreciar vemos que el campo magnético a medida que se acerca al solenoide crece en este caso decrece porque el campo va en dirección contraria al del sensor.

Campo magnetico del solenoide (positivo)

Solenoide del lado negativo. Aquí vemos como se refleja el campo magnético del solenoide en el sensor entrando por el lado negativo del solenoide. Como podemos apreciar vemos que el campo magnético crece también del lado positivo a medida que se va acercándose al solenoide dándonos el mismo campo que el del lado negativo del solenoide pero positivo las líneas de campo ya que el campo y el sensor tienen la misma dirección.

Campo magnético del solenoide ( negativo)

Campo vs corriente. En este grafico podemos determinar cómo es afectado el campo magnético dentro del solenoide cada vez que es aumentada la corriente que se transfiere, dándonos asi una linea recta al unir cada máximo de campo ya que es directamente propocional el aumento de la corriente con el campo. Cuando se aumenta la corriente el campo aumenta ya son directamente proporcional.

Tomamos 10 valores y los ajustamos por mínimos cuadrados o la ecuación de la recta de este modo nos dará la pendiente.

Campo magnetico vs corriente

Análisis resultados 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? Todas las espiras del solenoide producen un campo que tiene la misma dirección, sentido y es paralelo al eje del solenoide. El campo magnético creado por un solenoide tiene las líneas de fuerza en su interior, son perpendiculares al plano de la espira y cerradas sobre sí mismas

Pregunta 2: ¿ Cómo es la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación a la posición? Cuando el sensor se encuentra en el centro del solenoide su magnitud es constante pero en sus extremos varia es casi la mitad de la magnitud del centro.

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? Son proporcionales ya que al aumentar la intensidad de la corriente el campo también aumenta proporcionalmente gracias a la ley de ampere.

Pregunta 4: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y el número de espiras del solenoide? Que la magnitud del campo magnético es proporcional al número de espiras, ya que si multiplicamos el numero de espiras por la intensidad de corriente entre mayor sean las espiras mayor va ser la corriente dentro del solenoide y entonces mayor sera el campo producido. Pregunta 5: Calcule el error en el valor del campo magnético. ¿A qué factores cree usted que se debe la diferencia obtenida?

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.

N= 2920 L=10.8 cm

B=0.0045 tm 2. Determine la pendiente de la recta del campo magnético en función de la intensidad de corriente para cada gráfica. M(pendiente)= 345 +- 0.25

3. Compare este valor con el valor teórico obtenido de la fórmula que usted investigó. Nteorico=2920 Nreal= 2975

INFORME DE LABORATORIO CODIGO: GRUPO: 1. Concepciones de los estudiantes:

SUBGRUPO

TEMA:

Responda las preguntas formuladas en la hoja que le entrega el profesor Colocando una “X” en la casilla que cada miembro del grupo considere correcta Nº1 E1

E2

E3

E4

Nº2 E1

E2

E3

E4

Nº3 E1

1

1

1

2

2

2

3

3

3

4

4

4

5

5

5

Nº4 E1

E2

E3

E4

Nº5 E1

E2

E3

E4

Nº6 E1

1

1

1

2

2

2

3

3

3

E2

E3

E4

E2

E3

E4

4

4

4

5

5

5

2.

TABLAS, RESULTADOS Y GRAFICAS (imprímelas y adjúntalas)

Intensidad medida

= __5_____ amperios

Longitud de la bobina primaria

= ___10.8____ m

Campo magnético teórico

= _2920______ Tesla

Campo

magnético Axial (T)

medido

(Tesla)

Radial (T)

2975

3. CONCLUSIONES: Pregunta 1: ? Todas las espiras del solenoide producen un campo que tiene la misma dirección, sentido y es paralelo al eje del solenoide. El campo magnético creado por un solenoide tiene las líneas de fuerza en su interior, son perpendiculares al plano de la espira y cerradas sobre sí mismas

Pregunta 2: Cuando el sensor se encuentra en el centro del solenoide su magnitud es constante pero en sus extremos varia es casi la mitad de la magnitud del centro.

Pregunta 3: Son proporcionales ya que al aumentar la intensidad de la corriente el campo también aumenta proporcionalmente gracias a la ley de ampere.

Pregunta 4: Que la magnitud del campo magnético es proporcional al número de espiras, ya que si multiplicamos el numero de espiras por la intensidad de corriente entre mayor sea el numero de espiras mayor va ser la corriente dentro del solenoide y entonces mayor sera el campo producido ya que cada espira produce un campo.

Pregunta 5: Podemos deducir queel error disminuye a medida que aumenta la longitud relativa del solenoide Error cuadro medio= 0.172 ECM= 0.415 Esto se debe a que en el N/I

3.2 Responda las siguientes “preguntas problematológicas” 1.

¿Es el campo magnético uniforme en el interior del solenoide? Explique.

Si el campo magnético es prácticamente uniforme en el interior del solenoide, en los extremos del solenoide se reduce a la mitad del campo magnético en el centro.

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. Que el campo magnético depende de el números de espiras que posea el solenoide igual que la intensidad de la corriente de este. 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? Para que la toma de datos sea la correcta ya que si no se tarea el sensor puede detectar algún campo diferente del solenoide.

Conclusiones

En esta experiencia nos dimos cuenta como determinar el campo dentro de un solenoide y como es el campo en el también que efecto tiene la corriente y el numero de espiras de una bobina o solenoide sobre el campo magnético que esta produce ya que cada espira con corriente produce un campo magnético y si hay mas de una espira el campo se va a multiplicar por el numero de espiara que el solenoide tenga.

Bibliografia [1] http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica [2]http://www.google.com.co/search? hl=es&rlz=1W1SKPB_es&q=carga+electrica&meta= [3]sears semansky 4[fisica electricidad para estudiantes de ingenieria edic. uninorte. http://www.pdfcoke.com/doc/22113846