1. Octubre 29, 2009 Código: FIS 1033-03 Departamento de Física Laboratorio de Física Electricidad Ciencias Básicas Universidad del Norte – Colombia INFORME DE LABORATORIO “CAMPO MAGNETICO DE UN SOLONOIDE” María Mónica Ruiz P. Jorge Mario Bustillo Email: mmruiz@uninorte.edu.co Email: jmbustillo@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial Ingeniería Industrial ABSTRACT Through this report, we intend to present a practical way how is the behavior of the magnetic field of a solenoid, and the influence of this on many of the daily reactions, such as action exerted by magnets, and many others. Furthermore, with this report, and also seeks to highlight the main characteristics of a solenoid and the principle that the field exerts on it. RESUMEN Por medio de este informe, pretendemos dar a conocer de una forma práctica cómo es el comportamiento del campo magnético de un solenoide, y la influencia de éste sobre muchas de las reacciones cotidianas, como la acción que ejercen los imanes, entre muchos otros. Por otro lado, con este informe, también e busca resaltar las principales características de un solenoide y el principio que ejerce el campo sobre éste. 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: Comparar los valores experimentales y teóricos del campo magnético. Determinar la dirección del campo magnético en el interior de un solenoide. Explicar las características de la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide. MARCO TEORICO 3453765135890Solenoide 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. 862965226695Se puede 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. 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. 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. 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 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 una 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. 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) 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. 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. Configure el equipo de tal manera que se puedan observar los datos en modo gráfico: intensidad del campo magnético [B]– tiempo[t]. 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. Configure el equipo de tal manera que se puedan observar los datos en modo gráfico: intensidad del campo magnético [B]– corriente [ I ] 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. Repita el procedimiento anterior para un número de espiras diferentes en el solenoide. Mida la longitud de la bobina solenoide. DATOS OBTENIDOS -13335279400Grafica 1. Figura 1. Grafica de intensidad de campo magnético contra corriente. A partir de la grafica obtenida nos damos cuenta que la relación del campo magnético con respecto a la corriente es de forma lineal, ya que a medida que aumentamos el voltaje, la corriente también aumenta, y lo mismo sucede con el campo magnético. -146685302260Grafica 2. Imagen 2. Grafica de intensidad del campo magnético con respecto al tiempo. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS Análisis de 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? Al comparar las lecturas axial y radial del campo, nos damos cuenta que de forma radial presenta una lectura muy pequeña del campo, mientras que de forma axial nos presenta una lectura más alta, por lo que podemos deducir que la dirección del campo magnético es axial. Pregunta 2: ¿Cómo es la magnitud del campo magnético en el interior del solenoide en relación a la posición? En relación a la posición, el campo magnético en el interior de un solenoide es máximo en el centro, ya que estos adoptan una forma cíclica o elíptica, y por lo tanto toda la distribución se acopla en el centro del 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? La magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y la intensidad de la corriente poseen una relación proporcional, ya que a medida que uno crece el otro también, y viceversa. Pregunta 4: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético en el interior de un solenoide y el número de espiras del solenoide? De la misma forma, esta también es una relación directamente proporcional, ya que a medida que se aumentan el numero d vueltas, el campo se va haciendo más grande. Calcule el valor teórico del campo magnético dentro de la bobina utilizando la corriente medida, su longitud, y el número de espiras del solenoide. B=μNlI B=4π*10-7TmA29200.108m0.13A B=4.42*10-3T B=44.2 G Determine la pendiente de la recta del campo magnético en función de la intensidad de corriente para cada gráfica. Según la grafica de campo contra corriente, tenemos que la pendiente es 319 G/A. Compare este valor con el valor teórico obtenido de la fórmula que usted investigó. m=μNl m=4π*10-7TmA29200.108m m=0.034TA m=339.75GA Pregunta 5: Calcule el error en el valor del campo magnético. ¿A qué factores cree usted que se debe la diferencia obtenida? Campo teórico: B=44.2 G Campo experimental: B =41 G % error= teorico-experimentalteorico *100 % error=44.2 G-41G44.2 G*100 % error=7.2 % Hay muchos factores por los que se pueden presentar estos errores, por ejemplo, el numero de vueltas que doce tener la bobina no es la precisa, y por lo tnato se presenta una diferencia sustancial entre los campos. Preguntas problematologicas Responda las siguientes “preguntas problematológicas” 1. ¿Es el campo magnético uniforme en el interior del solenoide? Explique. El análisis del campo magnético en el interior del solenoide es uniforme y paralelo al eje en el interior de este, siempre y cuando supongamos que el solenoide es muy largo respecto al radio de las espiras. 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. El campo magnético en el interior del solenoide es mucho más intenso que en el exterior pues es mayor la densidad de las líneas de fuerza dentro que fuera del solenoide. ¿Qué efecto tiene en los resultados de la medición “tarar” el sensor lejos de toda fuente. Cuando taramos el sensor de medición de campos lejos de la fuente, nos aseguramos que el sensor no esté siendo afectado por ninguno de los campos y que no tengo una medición errada cuando se requiera utilizar. BIBLIOGRAFIA [1] C.C. Darío, O.B. Antalcides. “Física electricidad para estudiantes de ingeniería”. Ediciones Uninorte. 2008. [2] SEARS, Francis W., ZEMANSKY, Mark W., YOUNG, Hugh D., FREEDMAN, Roger A., “Física Universitaria con física moderna”. Vol. 2. Undécima edición. 2005.