Practica 8 de laboratorio de fisica 1

1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA
ANTONIO JOSE DE SUCRE
VICE-RECTORADO DE BARQUISIMETO
SECCION DE FISICA
COORDINACION DEL LABORATORIO DE FISICA
PRÁCTICA Nº 8
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
I-. Introducción:
Finalizando la parte de electricidad, hacemos uso de la bobina, la metodología
aplicada para esta práctica tiene que ser muy similar a la pasada (iniciar una conducta de
entrada), por el hecho que es posible que la información teórica suministrada en la
asignatura física II, todavía no sea posible.
Sin la Ley de Faraday, usted probablemente estaría utilizando cera de abeja o
“queroseno” para estudiar a la luz de una vela o lámpara, sería necesario las baterías
químicas o máquinas para operar todo aparato eléctrico. La electricidad sería muy
costosa.
La generación de electricidad barata para uso común es muchos lugares, se basa
en el notable descubrimiento de Michael Faraday (1791-1867), con su Ley de Inducción
Electromagnética.
Entre las formas más conocidas de producir la electricidad se tienen:
 Transformación de energía química en eléctrica.
 Por la interacción de campo magnético (B) con un conductor eléctrico llamado esto
inducción magnética.
Por la interacción de campo electromagnético con un conductor eléctrico,
denominado inducción electromagnética
En los casos de inducción, la corriente producida se debe a la variación del flujo
magnético (Φ) o electromagnético en el tiempo, a través de éste, no sólo dando origen a
una corriente eléctrica, sino también estableciendo una fuerza electromotriz (f.e.m)
inducida, este principio es conocido como Ley de Faraday. La dirección de esta “f.e.m”
inducida se puede determinar de acuerdo a la Ley de Lenz y la magnitud conforme a la
fórmula establecida por Maxwell conocida como Ley de Faraday. En esta práctica se
estudiará las diversas maneras de establecer una “f.e.m” inducida y la aplicación concreta
a los transformadores.
II-.Objetivos:
Objetivo General.
Interpretar la Ley de Lenz y uso del transformador.
 Enumerar diferentes métodos de producir Fuerza Electromotriz Inducida (f.e.m).
 Determinar los factores de los cuales depende la f.e.m inducida.
 Diferencia entre. la tensión continúa y la tensión alterna.
 Considerar la Ley de Lenz para hallar el sentido de las corrientes inducidas.
 Analizar experimentalmente el transformador ideal como la aplicación de la inducción
electromagnética.
 Construir un transformador ideal, en función de las características que se exigen en
el experimento.
III-. Teoría.
El descubrimiento de Faraday de la primera corriente inducida el 29 de agosto
de 1831 dio comienzo a seis meses de experimentos brillantes, en los que estableció la
mayor parte de las leyes cualitativas de la inducción electromagnética. Donde demostró
que una corriente eléctrica podía ser inducida en un circuito eléctrico por un campo
magnético variable (llamada Ley de inducción de Faraday).
La Ley dice:
“La magnitud de la fuerza electromotriz inducida en un circuito cerrado es igual a
la razón de cambio de flujo magnético a través del circuito.”
La fuerza electromotriz inducida induce una corriente en el conductor o circuito
cerrado, a esta corriente que se produce en el circuito cerrado se denominó Corriente
Inducida y a todo el fenómeno se le llamó inducción electromagnética. Esta ley se
encuentra presente en todo el sistema de generación de energía eléctrica por lo que sus
aplicaciones tecnológicas son inmensas, brindando un bienestar a la comunidad.
La ley tiene la siguiente expresión matemática:
ε = ─ dΦ/dt
El signo menos de la ecuación es consecuencia de la aplicación de la Ley de Lenz,
la cual dice:
“En un circuito cerrado, la corriente inducida aparece en una dirección tal que ésta
se opone al cambio que lo origina”
La fuerza electromotriz en un circuito cerrado puede ser inducida de varias formas:
 Variando la magnitud del campo magnético (B) con respecto al tiempo.
 Variando el área del circuito con respecto al tiempo.
 Cambiando el ángulo entre el campo magnético y la normal al plano de las espiras
con respecto al tiempo.
 Por la combinación de éstas.
Ahora bien, si se tiene un circuito conductor cerrado y en él circula una
corriente que varía en el tiempo, ésta produce un campo magnético que varía, de acuerdo
a la Ley de Faraday se induce una fuerza electromotriz adicional en el conductor que se
opone a la variación del flujo.
Por lo que se concluye que: las corrientes variables en los circuitos originan
efectos de inducción que tratan de reducir la rapidez de cambio de esas corrientes.
Cuando un circuito induce una fuerza electromotriz en sí mismo, se dice que existe una
autoinductancia, este fenómeno es el que se conoce como autoinducción
En conclusión, la inductancia (L) es una medida de la oposición al cambio en la
corriente. Su unidad en el “SI”, es el Henry (H).
1Henry = (V.S) / A
Todo componente de un circuito que tenga una inductancia grande se llama
inductor y su símbolo es (L), un inductor es un componente que va almacenar energía en
el campo magnético que rodea a sus alambres portadores de corriente y se considera un
inductor ideal al solenoide ideal.
Vamos a citar el siguiente ejemplo:
Ejemplo Nº1: se posee una bobina de N1 espiras, en la cual circula corriente I1 y
otra de N2 espiras, ubicada en sus cercanía en un circuito cerrado tal como se indica en
el dibujo. Si la corriente que circula por la primera bobina varía su intensidad, el flujo
(φ21) que ésta genera también lo hace (flujo que atraviesa a la segunda bobina) éste
cambio produce una corriente inducida I2 en la segunda bobina.
Se define a la inductancia mutua (M21) de la bobina “2 “con respecto a la bobina
“1”, como la razón de (N2φ21) a la corriente I1, es decir :
M21= (N2φ21)/ I1
Análogamente la inductancia mutua (M12) de la bobina “1 “con respecto a la
bobina “2”, como la razón de (N1φ12) a la corriente I2, es decir:

2. M12= (N1φ12)/ I2
Se puede demostrar que M21 = M12 = M y la inductancia mutua es la misma en
ambos casos, dependiendo de las formas geométricas de los circuitos y de la orientación
relativa entre ellos. Si varía I1 en el tiempo, como se indicaba anteriormente el flujo ( )
varía a través del circuito “2”, la fuerza electromotriz inducida en este circuito es:
ε2 = -M dI / d t voltios
De igual forma si la corriente I2 es variable en el tiempo, se induce en el circuito
de derecha (figura 9.1) una fuerza
electromotriz dada por:
ε1 = -M dI / d t voltios Ec: 3
Aplicaciones:
La característica más importante del
fenómeno de inducción, es que se pueden
intercambiar energía entre dos circuitos por
medio del campo electromagnético.
Se puede decir que el campo electromagnético
producido por la corriente que circula en los
circuitos, actúa como portador de energía, transportándola de un circuito a otro a través
de espacio.
El generador de corriente por inducción y el transformador son aplicaciones
prácticas comunes de este proceso Otra aplicación de la inducción mutua , en un sentido
más amplio, es la transmisión de una señal de un lugar a otro produciendo una corriente
variable en un circuito llamado transmisor, este circuito actúa sobre otro acoplado a él
llamado receptor, es el caso del telégrafo, la radio, la televisión, el radar, etc.
Aplicación Nº1, como ondas de tensión alterna:
Si se tiene una bobina que gira en torno a un eje fijo vertical, tal como se indica en la
figura 9.1, y la bobina la atraviesa un campo magnético “B” horizontal, el flujo a través de
ella varía mientras gira, y por lo tanto se produce en la una fuerza electromotriz inducida.
Sea N = nA, en donde:
A= área de la espira.
n = el vector unitario.
N = vector normal a la espira
Θ = ángulo formado por los vectores del campo (B) y el normal (N)
El flujo magnético es:Φ= AB Cos θ
Si la bobina gira con una velocidad angular constante “w”, en torno al eje vertical,
el ángulo “θ” es : θ = wt, entonces el flujo queda: Φ= AB Cos wt, en vista que la fuerza
electromotriz de la bobina viene dada:
ε = -N dΦ / d t voltios
ε = -N AB Sen wt
Esta expresión indica que la tensión inducida es de forma sinusoidal y su
representación gráfica se muestra en la figura 9.3. El voltaje “ε” tiene su valor máximo
cuando wt=90º y un valor mínimo para wt=0º.
Si la tensión varía
Sinusoidalmente en la bobina, lo mismo ocurre con la corriente, por lo tanto se puede
decir que:
I = Io Sen wt
I = Io = valor máximo de la intensidad.
La magnitud de la corriente alterna depende del tiempo, para cualquier tiempo esta
intensidad se llama corriente instantánea. Los valores máximos y mínimos de la tensión
como de la intensidad se designan por valores pico.
El Transformador Ideal
Los transformadores se usan para muchos propósitos prácticos, es muy probable
que usted haya tenido uno en su tren eléctrico cuando era niño, si en su casa existe un
sistema de iluminación de bajo voltaje, encontrará también un transformador en cada
dispositivo. Abra su amplificador de audio o su computadora y encontrará
transformadores.
Los dispositivos grandes, por lo general cilíndricos, que usted ve suspendidos en
los postes de electricidad en las calles de su ciudad son transformadores y muchos de
éstos se encuentran en las subestaciones.
El transformador ideal tiene dos bobinas de alambre aisladas eléctricamente una
de la otra y dispuestas de manera que todas las líneas de campo magnético producido
por las corrientes en cada bobina atraviesen por completo la otra bobina, sin fuga de
líneas de campo magnético.
El Transformador Monofásico:
En todo lo explicado anteriormente sobre corrientes inducidas, se supone que el
espacio interior de las bobinas es vacío, es de observar que el efecto producido sobre el
voltaje inducido no cambia mayormente al llenar dicho espacio con ciertas sustancias
como aire, madera, agua, aceite, aluminio, cobre plástico, etc. Sólo los materiales
ferromagnéticos alteran el voltaje inducido en forma considerable, estos materiales son
casi siempre Compasiones puras o aleaciones de hierro, cobalto o níquel.
Un transformador monofásico, es el descrito en la figura 9.4, constan de dos
bobinas (una como el primario y la otra como el secundario) unidas mediante un núcleo
cerrado de material ferromagnético. Al primario se le aplica una corriente alterna , dicha
corriente crea un campo magnético (B) alterno, la mayor parte del flujo creado en el
primario atraviesa la segunda bobina (secundario) , induciendo en ella una corriente
alterna, esta corriente depende del número de espiras. Experimentalmente comprobara
que se cumple las siguientes expresiones.
Relación de voltaje:
Vp / Np = Vs / Ns
Donde:
Vp y Vs son los voltajes del primario y del secundario.
Np y Ns son el número de vueltas del primario y del secundario.
Cuando Ns >Np, el transformador es elevador de voltaje (reductor de corriente) y
si Ns<Np es un reductor de voltaje (elevador de voltaje) . Por principio de conservación de
la energía, la potencia desarrollada en el primario es
igual a la del secundario (Pp = Ps).
Relación de corriente:
Ip / Ns = Is / Np
Ip y Is corrientes del primario y secundario.
IV-.Materiales
a-. Generador de voltaje alterno de 6 y 12 voltios.
b-. Imán rectilíneo permanente.
c-. Bobinas de 300, 600 y 1200 espiras.
d-. Galvanómetro de cero central.1200
B
θ
n
F:9.1

3. e-. Bobina Foster (Bobina de salida variable)
1-. ACTIVIDAD (Obtención de corriente inducida por inducción magnética)
 Paso Nº1
Hacer el montaje de la figura
 Paso Nº2
Introduzca el polo norte del imán en la bobina y observe el sentido y la amplitud de la
desviación de la aguja del galvanómetro.
 Paso Nº3
Repita el experimento anterior, introduciendo el polo sur del imán con una rapidez
aproximada a la anterior. Observe el sentido y la amplitud de la deflexión de la aguja.
 Paso Nº4
Observe también el sentido y la amplitud de la deflexión de la aguja del galvanómetro
cuando saca el imán de la bobina en los casos anteriores. Anote lo observado.
 Paso Nº5
Repita las instrucciones 2 y 3, pero moviendo el imán con mayor rapidez. Anote lo
observado.
 Paso Nº6
Verifique los experimentos anteriores, usando bobinas de 600 y 1200 espiras. Anote
lo observado.
 Paso Nº7
Mantenga fijo el imán y desplace la bobina a lo largo de su eje, cada vez con mayor
rapidez. Anote lo observado.
 Paso Nº8
Desplace el imán y la bobina con igual rapidez a lo largo del eje de la bobina, primero
acercándolos y luego alejándose.
 Paso Nº9
Desplace el imán a lo largo de una línea recta perpendicular al eje de la bobina,
manteniendo a esta fija. Anote lo observado.
2-. ACTIVIDAD: (El transformador de potencia)
 Paso Nº1
Realice el montaje del siguiente circuito:
 Paso Nº2
En el circuito primario mantenga constante la tensión y el número de espiras pero en
el circuito secundario, utilice la bobina de salida variable o bobina Foster.
 Paso Nº3
Varíe el número de espiras en el circuito secundario, tal como lo exige el cuadro y lea
los valores de tensión en el secundario, con esa información complete el cuadro.
N (s) 100 200 300 500 700 800 1000
Vs (V)
Vp = 12 V
Np = 1200 espiras
 Paso Nº4
Ahora coloque en el circuito primario la bobina Foster y en el secundario la bobina de
1200 espiras.
 Paso Nº5
Varíe el número de espiras en el circuito primario y lea los valores de tensión en el
secundario. Complete el siguiente cuadro
N (p) 100 200 300 500 700 800 1000
Vs (V)
Vp = 12 V
Ns = 1200 espiras
Cuestionario:
1-. Con respecto a la primera actividad
 ¿Cuál es la causa de la formación de la corriente inducida?
 Si no se conocieran los polos del imán recto, ¿con este experimento podría ud.
Identificarlos? ¿Cómo se realizaría esa identificación?
 ¿Qué ocurre al mover el imán hacia la bobina, cada vez con mayor rapidez?
¿Cómo explica lo que ocurre?
 ¿Qué relación existe entre la fuerza electromotriz inducida en el circuito y el
número de espiras de la bobina?.
 ¿Qué ocurre al acercar o al alejar el imán y a la bobina con igual rapidez a lo
largo del eje de la bobina? ¿Cómo se explica lo que ocurre?
G
N S
300 espiras
V
12V
S
1200
espiras
Bobina
Foster

4.  ¿Qué ocurre al desplazar el imán a lo largo de una línea recta perpendicular al
eje de la bobina? Explique lo ocurrido.
2-.Con respecto a la segunda actividad
 Con los datos del 1er cuadro, grafique en papel milimetrado Vs = f (Ns)
 ¿Qué relación existe entre Vs y Ns?
 Con los datos del 2do cuadro, grafique en papel milimetrado Vs = f (Np).
 ¿Qué relación existe entre Vs y Np? Verifique la repuesta mediante cambio de
variables.
 ¿Qué relación general incluye las variables de las dos graficas anteriores?
 ¿En qué caso se tiene un transformador elevador de tensión y en qué caso un
reductor de tensión?
 ¿De qué principio básico depende el funcionamiento de un transformador?
Bibliografía.
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