Física F I E

Física II Laboratorio
FEM INDUCIDA EN EL EJE DE UNA BOBINA ANULAR
OBJETIVO
Analizar las condiciones para producir un campo magnético en una
bobina con corriente.
Analizar las condiciones para producir fem inducida en una bobina
Obtener experimentalmente la relación entre la fem inducida y la
distancia a un campo magnético variable.
INTRODUCCIÓN
H
asta 1820 se pensaba que la electricidad y el magnetismo eran
fenómenos independientes, cuando Oersted descubre que al mover
una brújula en la vecindad de un cable que conducía corriente eléctrica, la
aguja se desviaba hasta quedar en posición perpendicular al cable, es decir,
crear un campo magnético con una corriente eléctrica. A partir de la ley de
Biot y Savart se puede determinar el valor de la inducción magnética B en
un punto x sobre el eje de una bobina anular de N1 vueltas y radio R1, cuando
por ella circula una corriente I obteniéndose:
0 NR12
B
I ˆi
3
2(x 2  R12 ) 2
(1)
Este fenómeno llevó Faraday a preguntarse ¿Los campos magnéticos
generarán corrientes eléctricas?, interrogante que lo llevó a desarrollar una
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serie de experimentos y a modificar constantemente los dispositivos e
instrumentos, llegando a construir dos solenoides, en el que uno quedara
dentro del campo magnético generado por el otro, no logrando obtener
corriente en el segundo solenoide. Sin embargo, Faraday percibe que en el
momento de conectar la batería cerrando el primer circuito, la aguja del
galvanómetro conectado en el segundo solenoide, acusa una pequeña
desviación; igualmente queda sorprendido cuando
al desconectar la batería, la aguja vuelve a
deflectarse pero en sentido contrario. Así descubre
la
hoy
conocida
Ley
de
Inducción
Electromagnética (1831). Así Faraday expresa,
cuando existe una variación temporal de flujo magnético sobre una espira
cerrada, en ella se genera una fem inducida.
Por otra parte la Ley de Lenz (1833), establece que la fem inducida debe ser
tal que, si se cierra el circuito inducido, la corriente que circule por él, evite el
efecto que la produce, esto se debe a que la energía del sistema debe
permanecer constante. Por esta razón, la Ley de Inducción Electromagnética
(Ley de Faraday – Lenz), matemáticamente se puede enunciar como:

d
dt
(2)
Donde  es la fem inducida, d / dt es la variación temporal de flujo
magnético. Además se puede observar en esta ecuación, que la fem inducida
depende de la variación temporal del campo magnético, el área de la espira
sobre la cual está actuando dicho campo y/o el ángulo que forman el vector
campo magnético y el vector área.
Es decir cualquiera de estos tres
conceptos que varíe temporalmente implica la generación de una fem
inducida.
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La práctica de laboratorio se realizará a partir de una corriente alterna que
circula en una bobina de N1 vueltas. Si la corriente es alterna, ésta produce
un campo magnético alterno, el flujo magnético en la segunda bobina será
alterno y en consecuencia se genera en la segunda bobina una fem inducida.
De acuerdo a la ley de Biot – Savart el campo magnético alterno (1)
producido por la bobina de N1 vueltas, radio R1, a una distancia x de su
centro, queda expresado por:
I  Imáx cos(t)  B 
0 N1R12
I cos(t) ˆi
2
2 3 2 máx
2(x  R1 )
En consecuencia la ley de Faraday – Lenz, indica que la fem inducida (2) en
la segunda bobina de N2 vueltas y área A2, queda expresada por:

N2 A20 N1R12
N2 A20 N1R12
I
cos(

t)




Imáx sen(t)
3
3
máx
2(x 2  R12 ) 2
2(x 2  R12 ) 2
A fines prácticos los valores de corriente y fem se medirán con instrumentos
analógicos, por lo cual se trabajará con los valores eficaces:
Bef 
0 N1R12
Ief
3
2(x 2  R12 ) 2
N2 A20 N1R12
ef  
Ief
3
2(x 2  R12 ) 2
(3)
MATERIALES
Dos bobinas anulares
Un voltímetro C.A.
Amperímetro C.A.
Fuente de poder C.A.
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Cables de conexión
MONTAJE
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Arme el montaje de la figura siguiendo a las instrucciones de su
profesor. (NO conecte la fuente, hasta que su profesor revise el
montaje).

Siga cuidadosamente las explicaciones del profesor en la generación
de fem inducida. Anote sus observaciones.

Una vez conectada la primera bobina a la fuente alterna. ¿Qué
corriente marca el amperímetro? Ajuste el valor de corriente a 2 A.

¿Qué diferencia de potencial marca el voltímetro? Conectado en la
segunda bobina (ajuste la escala, si es necesario)

Mueva la segunda bobina acercándola y alejándola de la primera y
delimite el rango de voltajes en que va a trabajar.

En Excel, realice una tabla de valores para la separación de las
bobinas (x) en función de la fem inducida (εef) en la segunda bobina.
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
Realice el gráfico εef en función de x, obtenga el modelo matemático
del fenómeno

Compare los resultados obtenidos de εef, experimentales y teóricos.

Anote sus conclusiones.
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