procedimiento_ferromagnetismo

Laboratorio II de Física
Práctica Nº 5
El Ferromagnetismo
PARTE EXPERIMENTAL.
Actividad Nº 1. Circuito para medir el Ciclo de Histéresis.
H. Rowland diseñó el siguiente circuito para medir simultáneamente los Campos H y B en
un material Ferromagnético:
VH
R
VB
NÚCLEO
FERROMAGNÉTICO
El generador produce una corriente que varía con el tiempo y el Voltaje en la Resistencia,
VH, es proporcional a la corriente en la resistencia que, por estar en serie, es la misma de
la bobina primaria y como el Campo Magnético H también es proporcional a dicha
corriente, midiendo el VH medimos indirectamente H. Por otra parte, el voltaje inducido
en la bobina secundaria, de acuerdo a la ley de Faraday, es la derivada respecto al
tiempo del flujo de B en el secundario, por lo tanto, al intercalar un circuito que integre
respecto al tiempo, el voltaje de salida, VB será proporcional a B.
En el Laboratorio usaremos como integrador un circuito RC y los voltajes VH y VB los
mediremos con el osciloscopio. Aplicando VH al eje horizontal y VB al eje vertical
obtendremos directamente en la pantalla el Ciclo de Histéresis.
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Práctica Nº 5
El Ferromagnetismo
Monte el siguiente circuito. Verifique por seguridad que el extremo izquierdo del
interruptor S está conectado al polo vivo de la red doméstica. Verifique también que las
tierras de los dos canales del osciloscopio están conectadas como se indica.
Use los siguientes valores:
Componente
Símbolo
Valor
Unidad
Reóstato 1
R1
11

Reóstato 2
R2
320

Resistencia 3
R3
2000

Bobina Primaria
L1
250
vueltas
Bobina Secundaria
L2
10
V (nominal)
Caja de Capacitores
C
10
F
S
Osciloscopio
R3
L1
R2
110 V
60 Hz
L2
C
R1
X
Y
R1
La corriente en el primario del Transformador, Ip, produce un campo magnético B, cuyo
módulo es:
B =  Np Ip / Lp,
siendo Lp la longitud del solenoide primario y Np su número de vueltas.
El campo magnético H viene dado por:
H = B /  = Np Ip / Lp.
La corriente en el primario la calculamos dividiendo el voltaje en el eje x del osciloscopio
entre la resistencia R1 del reóstato R1:
Ip = VH / R1.
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El voltaje VH lo mediremos como el desplazamiento de la traza en la pantalla, de X
divisiones multiplicado por la amplificación del eje x de Kx voltios/división. Quedando
finalmente:
H 
NP
LP  R1
KX X
.
Verifique las unidades de H en el Sistema Internacional:
Al variar con el tiempo la corriente del primario, se induce en el secundario una fuerza
electromotriz ( voltaje inducido ), cuyo módulo es:
Vs = Ns d / dt,
siendo  el flujo magnético en una sola espira del secundario, el cual, debido a la alta
permeabilidad del núcleo de hierro, es prácticamente el mismo producido en el primario,
y Ns el número de vueltas del secundario.
El circuito del secundario se puede simular mediante el siguiente circuito equivalente:
R3
VS = V0 cos t
VS
VB
C
Si la impedancia del condensador es mucho menor que R3 (  
1
R 3C
), podemos
aproximar:
Is  Vs / R3,
con lo cual el voltaje en el condensador es:
VB 
q
C

1
C
 IS
dt 
1
R3 C
Por definición el flujo en una espira es:
 
 VS
dt . 


 B  dA 
NS
R 3C

d
dt
dt 
NS
R 3C

BA ,
siendo A el área de la sección transversal de la bobina secundaria, quedando:
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VB = A Ns B / R3 C.
Si medimos en el osciloscopio el voltaje del condensador como Y divisiones con un factor
de amplificación de Ky voltios/división, obtenemos finalmente:
B 
R 3C
A NS
K YY
.
Verifique las unidades de B en el Sistema Internacional:
Verifique que se cumple la desigualdad  
1
R 3C
:
Con R2 al máximo, ajuste los valores de R1, KX y KY para que todo el Ciclo de Histéresis
aparezca completo en la pantalla del osciloscopio.
Verifique que el origen del gráfico en el Ciclo de Histéresis coincida exactamente con el
centro de la pantalla, desde donde se medirán todos los desplazamientos de la traza del
osciloscopio.
Para calcular el número de vueltas del secundario mida los voltajes en el primario y el
secundario del transformador, VP y VS, entonces calcule:
N S = N P V S / V P.
Al terminar el ajuste del circuito, desconecte temporalmente el reóstato R1 y mida con el
ohmímetro el valor de R1. Después de medirlo vuelva a conectar R1.
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Llene la siguiente tabla:
Componente
Símbolo
Porción del reóstato 1
R1
Amplificación horizontal
KX
Amplificación vertical
KY
Longitud bobina primaria
LP
Número de vueltas del
primario
Número de vueltas del
secundario
Área sección transversal
del núcleo
Valor
Unidad
NP
NS
A
Actividad Nº 2. Medición de la Curva de Magnetización inicial.
En esta actividad empezaremos con una muestra completamente desmagnetizada
( origen del gráfico en el Ciclo de Histéresis ), y aumentaremos progresivamente el
Campo H hasta llegar a saturación. Para ello aumentaremos gradualmente el valor del
Reóstato R2, comenzando en cero, produciendo ciclos que serán cada vez mayores. De
todos los puntos de cada ciclo solamente mediremos el superior derecho, ya que este
sigue la curva de magnetización inicial del núcleo de hierro.
Llene la siguiente tabla con los valores X-Y del punto superior derecho del Ciclo de
Histéresis, medidos desde el origen de coordenadas en el centro de la pantalla:
#
Desplazamiento X
Desplazamiento Y
H [A/m]
B [T]
1
2
3
4
5
6
7
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Grafique la curva de magnetización inicial del núcleo ferromagnético en el siguiente
recuadro:
B
[T]
H
[A/m]
A partir del gráfico anterior determine el Campo B de saturación:
Actividad Nº 3. Ciclo de Histéresis de saturación.
Ajuste el reóstato R2 al máximo para que en la pantalla aparezca el Ciclo de Histéresis de
saturación.
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Haga un dibujo, lo mas exacto posible del Ciclo de Histéresis de saturación:
Y [divisiones]
X
[divisiones]
Determine el valor del Campo B remanente y del campo H coercitivo:
Actividad Nº 4. Potencia perdida por ciclo.
Verifique que el área del Ciclo de Histéresis tiene unidades de energía entre volumen:
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Para el Ciclo de saturación determine el área encerrada por el ciclo:
Calcule el volumen del núcleo del Transformador:
Conociendo la frecuencia de la red doméstica ( 60 Hz. ) determine la potencia perdida
por ciclo.
¿De donde proviene esta potencia y en que se convierte?:
Haga las conclusiones finales de la práctica:
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