Balanza de Corriente

Inducción magnética. Conductores. Bobina. Rayos catódicos. Fuerza de Lorent

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OBJETIVOS

-Determinar la dirección y la magnitud de la fuerza de Lorentz de un circuito como función de la corriente aplicada y la dirección del campo magnético.

-Medir la fuerza de Lorentz como función de la corriente en un conductor de distintas tallas curvo sometido a una inducción magnética. Calcular la inducción magnética.

-Medir la fuerza de Lorentz en función de una bobina para un circuito curvo determinado.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Una serie de experiencias realizadas con campos magnéticos actuando sobre cargas móviles, como rayos canales(+) o rayos catódicos(-), permitieron deducir las siguientes consecuencias:

  • Existe siempre una dirección en la que el campo magnético no ejerce acción alguna sobre la carga móvil, ésta dirección es la del campo.

  • Para cualquier otra dirección de movimiento de la carga ésta se ve sometida a la acción de una fuerza llamada fuerza de Lorentz cuya dirección es la de la perpendicular al plano determinado por los vectores campo y velocidad cuyo sentido viene dado por la regla de Maxwell.

  • El módulo o factor de ésta fuerza de Lorentz depende proporcionalmente de éstos factores:

  • 1.del valor de la carga q que se mueve;

    2.de la velocidad v con la que se mueve;

    3.del módulo o valor de B en cada punto;

    4.del seno del ángulo que forman las direcciones de los vectores velocidad y campo.

    Matemáticamente el valor de la fuerza de Lorentz viene dado por la expresión:

    F = q . v . B . senð

    Dicho valor F será máximo si v y B son perpendiculares, y será nulo cuando ambos vectores sean de la misma dirección.

    Desde el punto de vista vectorial la fuerza con la que el campo magnético actúa sobre la carga móvil viene dada por la expresión:

    F = q (v ð B)

    Supongamos un conductor recorrido por una corriente IL sometido a los efectos de un campo magnético B. Si n es el número de cargas por unidad de volumen v su velocidad en un elemento de conducto de longitud dl y sección S, la fuerza sobre dicho elemento de conductor será:

    dF = n . S . dl .q (v ð B )

    Se designa por ut al vector unitario al conductor en el sentido del movimiento y se recuerda que IL = n . q . S . v:

    dF = n . q . S . v(utð B) = IL (utIð B)d l

    La fuerza creada por el campo magnético sobre todo el conductor será:

    F = "L IL (utIð B)dl

    Siendo L la longitud del conductor.

    Si el conductor es rectilíneo ( ut = cte) y la corriente y el campo magnético son uniformes:

    F = IL (utð B) L

    Si ð es el ángulo entre el conductor y el campo:

    |F| = IL B L senð

    Si además el conductor es perpendicular al campo magnético (ð = 90º):

    F = IL B L

    MATERIAL UTILIZADO:

    1 Trípode base.

    1 Barra de sección cuadrada de 1m.

    1 Puente rectificador, 30V AC/1ª.

    1 Conmutador Encendido/Apagado

    1 Núcleo de hierro laminado con forma de U.

    2 Piezas de hierro rectangulares.

    2 Multímetros.

    1 Balanza (long 310mm)

    4 Circuitos curvos.

    1 Fuente de alimentación.

    2 Bobinas magnéticas.

    MONTAJE

    Los cables del electroimán están conectados en serie a la salida del alternador de voltaje de la fuente a través del amperímetro, de un conmutador y de un puente rectificador.

    Los circuitos curvos se conectan, mediante dos bandas ligeras de metal flexible, a través de un amperímetro a la salida directa de voltaje de la fuente. La distancia entre las bandas de metal debe ser tan grande como se pueda y éstas se deben deformar solo suavemente para que el campo magnético del electroimán no actúe sobre ellas.

    REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

  • Dirección y magnitud de la fuerza F de Lorentz sobre un circuito.

  • Lo primero que hicimos fue separar los bloques de hierro del electroimán a una distancia de 4cm entre ellos.

    Cogimos el conductor curvo con L = 25mm colgado de la balanza con los bornes eléctricos conectados al circuito curvo.

    Equilibramos la balanza sin corriente en el conductor y fijamos una corriente IL = 5A.

    La lectura en la balanza sin corriente fue de: (32'71 + 0'01) gr.

    NOTA: EN LA BALANZA EXISTEN UNOS PESOS DESLIZANTES SOBRE UNA REGLA DE MEDIDA GRADUADA EN 100gr. EXISTE OTRA REGLA GRADUADA EN 10 gr. PARA MEDIDAS INFERIORES A LOS 10gr. SE UTILIZA UN MANDO MÓVIL EL CUAL TIENE UN DIAL GRADUADO EN 0'1gr. Y UN VERNIER QUE PERMITE TENER INCREMENTOS DE 0'01gr. A LA LÍNEA MÁS PRÓXIMA AL CERO SE LE DEBE AÑADIR EL VALOR DE LA PRIMERA LÍNEA QUE COINCIDA EN LAS DOS ESCALAS.

    Al conectar el campo magnético, se produjo un pequeño cambio en la balanza la cual marcaba ahora un peso de: (33,67 + 0'01)gr.

    Invertimos ahora el sentido de la corriente en las bobinas y anotamos los cambios:

    Sin corriente: (32'61 + 0'01)gr.

    Con corriente: (31'87 + 0'01)gr.

    NOTA: LA MEDIDA SIN CORRIENTE AL VARIAR EL SENTIDO DE LA CORRIENTE DE LAS BOBINAS VARIA EN 0'1gr. A CAUSA DE LA BALANZA YA QUE EN OCASIONES ERA DIFICIL EQUILIBRARLA.

    2) Fuerza F como función de la corriente IL y como función de la longitud de los circuitos.

    Colocamos ahora los bloques del electroimán de manera que haya entre ellos una separación de 1cm. Colgamos el conductor curvo de L = 12'5mm.

    La medida sin corriente es de: ( 30'47 + 0'01)gr.

    Conectamos el campo magnético mediante el interruptor y vamos elevando la corriente en pasos de 0'5A y anotamos los cambios frente a la lectura sin corriente.

    Corriente IL (A)

    Masa del conductor (gr)

    0'500 + 0'001

    30'47 + 0'01

    1'000 + 0'001

    30'47 + 0'01

    1'500 + 0'001

    30'21 + 0'01

    2'000 + 0'001

    30'10 + 0'01

    2'500 + 0'001

    30'01 + 0'01

    3'500 + 0'001

    29'80 + 0'01

    4'000 + 0'001

    29'80 + 0'01

    5'000 + 0'001

    29'62 + 0'01

    Ahora repetimos el misma proceso pero con los demás conductores.

    Conductor L = 25mm. Sin corriente, m0 =(32'60 + 0'01)gr.

    Corriente IL (A)

    Masa del conductor (gr)

    0'500 + 0'001

    32'60 + 0'01

    1'000 + 0'001

    32'50 + 0'01

    1'500 + 0'001

    32'40 + 0'01

    2'000 + 0'001

    32'30 + 0'01

    2'500 + 0'001

    32'24 + 0'01

    3'000 + 0'001

    32'14 + 0'01

    3'500 + 0'001

    32'10 + 0'01

    4'000 + 0'001

    32'02 + 0'01

    5'000 + 0'001

    31'95 + 0'01

    Conductor L = 50mm. Con n=1, Sin corriente, m0 = (40'43 + 0'01)gr.

    CORRIENTE IL (A)

    Masa del conductor (gr)

    0'500 + 0'001

    40'41 + 0'01

    1'000 + 0'001

    40'22 + 0'01

    1'500 + 0'001

    40'21 + 0'01

    2'000 + 0'001

    40'21 + 0'01

    2'500 + 0'001

    40'00 + 0'01

    3'000 + 0'001

    39'95 + 0'01

    3'500 + 0'001

    39'74 + 0'01

    4'000 + 0'001

    39'75 + 0'01

    5'000 + 0'001

    39'55 + 0'01

    Conductor L = 50mm con n =2. Sin corriente , m0 = (38'44 + 0'01)gr.

    CORRIENTE IL (A)

    Masa del conductor(gr)

    0'500 + 0'001

    38'44 + 0'01

    1'000 + 0'001

    38'24 + 0'01

    1'500 + 0'001

    38'20 + 0'01

    2'000 + 0'001

    38'10 + 0'01

    2'500 + 0'001

    38'04 + 0'01

    3'000 + 0'001

    37'94 + 0'01

    3'500 + 0'001

    37'90 + 0'01

    4'000 + 0'001

    No se puede apreciar

    5'000 + 0'001

    No se puede apreciar

    NOTA: LAS ÚLTIMAS MEDIDAS NO SE PUEDEN APRECIAR DEBIDO A LAS MALAS CONDICIONES DE LA BALANZA.

    3) Fuerza F como función de la corriente IM en una bobina para un circuito curvo determinado.

    Ahora con el conductor de L = 50mm., y n = 2 vueltas fijamos la corriente IL a 5A. y variamos la corriente IM para las bobinas.

    CORRIENTE IL (A)

    CORRIENTE IM (A)

    Masa del conductor(gr)

    2'000 + 0'001

    0'039 + 0'001

    38'20 + 0'01

    4'000 + 0'001

    0'201 + 0'001

    38'10 + 0'01

    6'000 + 0'001

    0'369 + 0'001

    38'03 + 0'01

    8'000 + 0'001

    0'537 + 0'001

    38'00 + 0'01

    10'000 + 0'001

    0'704 + 0'001

    37'94 + 0'01

    12'000 + 0'001

    0'871 + 0'001

    37'94 + 0'01

    CUESTIONES

    1. Determinar a partir del grafico F ( IL ) y la expresión 4 el valor de la inducción magnética para cada conductor.

    Conductor L = 12'5mm B = 14'24 T.

    Conductor L = 25 mm B = 5'48 T.

    Conductor L = 50 mm , para n=1 B = 3'36 T.

    Conductor L = 50 mm , para n=2 B = 3'30 T.

    NOTA: LOS VALORES DE LA INDUCCIÓN MAGNETICA HAN SIDO OBTENIDOS A PARTIR DE LAS MEDIAS DE CADA UNO DE LOS VALORES DE CADA CONDUCTOR.

  • Existe una razón para que los conductores más cortos tengan una peor correlación en el gráfico F ( IL ) que es la misma razón por la que el gráfico F(l) no pasa por cero ¿Cuál es la razón? ¿Se obtiene este efecto experimentalmente?

  • -Experimentalmente no se ha podido afirmar ésta razón, no obstante podría ser debido a que en los conductores más cortos hay una mayor inducción magnética la cual provoca esto.

  • En vista del gráfico obtenido en el apartado 3 y la expresión (4) ¿Podemos afirmar que la inducción magnética B es proporcional a la corriente de la bobina IM?

  • -Efectivamente podemos afirmar teórica y practicamente que la inducción magnética es proporcional a la corriente de la bobina.

    ÍNDICE:

  • OBJETIVOS

  • FUNDAMENTOS TEÓRICOS

  • MATERIAL UTILIZADO

  • MONTAJE

  • REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

  • CUESTIONES