ley de faraday - fuerza electromotriz

FÍSICA II
Trabajos Prácticos de Laboratorio LEY DE FARADAY - FUERZA ELECTROMOTRIZ
Objetivos del trabajo:
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Verificar la Ley de Faraday.
Generar una fuerza electromotriz de corriente alterna.
Generar una fuerza electromotriz de corriente continua.
Realizar mediciones y tabular los valores registrados.
Visualizar la variación de las fuerzas electromotrices en el osciloscopio.
Materiales a utilizar:
1. Un generador experimental constituido por: a) un núcleo de campo de
acero macizo en forma de U con dos polos; b) una bobina de campo de
3.600 vueltas y 150 Ω; c) un rotor de inducido con dos polos salientes
laminados de acero silicio y dos arrollamientos; d) dos anillos rozantes
conectados a los arrollamientos para colectar corriente alterna; e) un
conmutador de dos delgas conectadas a los arrollamientos para
colectar corriente continua.
2. Una fuente de alimentación de corriente continua variable de 0 a 25 V.
3. Un motor impulsor de corriente alterna con colector (6.000 rpm, 50 W
y Umáx = 220 V), provisto de caja de conexiones con interruptor.
4. Un reóstato de 0 a 320 Ω e Imáx = 1,5 A.
5. Una correa para impulsar el generador.
6. Un voltímetro de corriente alterna de 0 a 50 V.
7. Dos voltímetros de corriente continua de 0 a 50 V.
8. Un osciloscopio.
Fundamentos teóricos:
La ley de Faraday establece que “la f.e.m. inducida en un circuito es
numéricamente igual a la derivada respecto al tiempo, cambiada de signo,
del flujo que lo atraviesa”:
1 Ing. Sandra Silvester e Ing. Raúl Villoria
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Trabajos Prácticos de Laboratorio Esta ley es aplicable a cualquier
circuito a través del cual se produce
una variación de flujo por un medio
cualquiera, aunque no haya movimiento de ninguna parte del circuito,
como es el caso de la figura 1.
(a) (b)
Fuerza electromotriz inducida
en un cuadro de rotación:
AL VARIAR LA CORRIENTE DEL CIRCUITO
(a), VARÍA EL FLUJO MAGNÉTICO QUE
ATRAVIESA EL CIRCUITO (b).
Figura 1
El fundamento de la forma actual de
un generador de corriente alterna o
alternador, se observa en la figura 2.
Un cuadro rectangular de N espiras
y superficie A = n x m, gira alrededor
O n
m
S
B S
O FUNDAMENTO DE LA DÍNAMO Figura 2
de un eje OO que es perpendicular a un campo magnético uniforme cuya
densidad de flujo es B. Los terminales del cuadro están conectados a anillos
rozantes S-S, concéntricos con el eje del cuadro y que pueden girar con él,
pero aislados entre sí. Escobillas apoyadas contra estos anillos conectan el
cuadro al circuito exterior. El cuadro está devanado sobre un rotor cilíndrico
de hierro silicio laminado, llamándose inducido al conjunto cuadro-cilindro.
El instante en que el plano de la bobina forma un ángulo α con la normal al
campo, como se observa en la figura 3, el flujo que atraviesa el cuadro es:
α
2 Ing. Sandra Silvester e Ing. Raúl Villoria
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Trabajos Prácticos de Laboratorio α
α
α
Sabemos que:
ω.m/2
ω = dα/dt
B O ⇒ velocidad angular
Para N espiras:
ω.m/2
α Figura 3
α = ωt = 2πf t
ε=
GRÁFICA DE LA FEM ALTERNA INDUCIDA EN EL CUADRO ε DE LA FIGURA 2 εmáx εmáx =
NABω
ε = εmáx
t εmáx N A B ω sen ωt
a
sen ωt Esta ecuación se ha representado
gráficamente en la figura 4.
Figura 4
Generador de corriente continua:
Puede obtenerse f.e.m. de un solo sentido conectando cada terminal del
cuadro a la mitad de un anillo partido llamado colector o conmutador, tal
como se representa en la figura 5.
O C B O ANILLO COLECTOR PARTIDO PARA OBTENER FEM DE UN SOLO SENTIDO Figura 5
3 Ing. Sandra Silvester e Ing. Raúl Villoria
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Trabajos Prácticos de Laboratorio En el instante en que se invierte en el cuadro la f.e.m., se intercambian las
conexiones al circuito exterior. De esta manera, la f.e.m. entre los terminales, aunque pulsante, tiene siempre el mismo sentido.
En la práctica, se obtiene una f.e.m.
ε más uniforme disponiendo un gran
número de cuadros (uniformemente
espaciados y con N espiras cada uno)
t FEM DE UN SOLO SENTIDO OBTENIDA CON UN INDUCIDO COMPUESTO DE 6 CUADROS CON 12 SEGMENTOS CONMUTADORES O DELGAS Figura 6
sobre el inducido y poniendo en
contacto cada cuadro con su propio
par de segmentos de conmutación.
Las escobillas hacen conexión con las
espiras de cada cuadro durante un
tiempo muy corto, que corresponde al
instante en que la f.e.m. se encuentra
próxima a su valor máximo, como se
observa en la figura 6.
Procedimiento:
1. Colocar la correa del conjunto motor impulsor-generador.
2. Conectar el reóstato a la caja de conexiones del motor-generador y la
caja de conexiones a la línea de 220 V.
3. Verificar que al deslizar el reóstato, previo accionamiento del interruptor,
varía la velocidad de rotación del equipo. Variando la velocidad angular ω del
generador, se modifica el valor de εmáx = N A B ω.
4. Conectar la fuente de corriente continua y un voltímetro a la bobina de
campo del generador (la tensión máxima admisible es de 40 V). La corriente de
esta bobina se llama corriente de excitación y se puede variar de 0 a 300
mA. Variando la corriente de excitación, se modifica la inducción B y
consecuentemente εmáx.
5. Colocar las escobillas del generador en los anillos rozantes para colectar
corriente alterna e instalar un voltímetro en los bornes del generador.
Accionar el equipo variando la velocidad angular y la excitación del
generador. Verificar que la f.e.m. generada (valor eficaz) se modifica con la
variación de la velocidad. Establecer una velocidad constante y medir las
tensiones generadas para distintos valores de la tensión de excitación.
Tabular los valores obtenidos. Visualizar la forma de onda en el osciloscopio.
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Trabajos Prácticos de Laboratorio 6. Colocar las escobillas en las delgas del conmutador para colectar corriente
continua y repetir todas las operaciones del punto 5. En este caso se
instalará un voltímetro de corriente continua en los bornes del generador.
NOTA: La forma de onda no es exactamente sinusoidal porque nuestro generador
experimental, diseñado para facilitar la enseñanza, no tiene en realidad un inducido
totalmente cilíndrico ni el campo magnético es estrictamente paralelo y uniforme.
Además, según el teorema de Fourier, la corriente continua generada se descompone en una componente continua constante (que es la que mide el voltímetro de
corriente continua), una componente alterna fundamental y varias componentes
alternas armónicas (cuyo valor eficaz conjunto puede medirse con un voltímetro de
corriente alterna).
TABLA DE VALORES
CORRIENTE ALTERNA
CORRIENTE CONTÍNUA
MEDICIÓN EXCITACIÓN
F.E.M.
MEDICIÓN EXCITACIÓN
F.E.M.
nº
1
2
3
4
5
6
Vcc
Vca
nº
1
2
3
4
5
6
Vcc
Vcc
Como orientación general, se destaca que para una velocidad del motor impulsor
obtenida con el reóstato al 85 % y una tensión en la bobina de campo de 14,5 Vcc,
se obtienen en los bornes del generador 6,2 Vca. En iguales circunstancias, pero
conectando ahora el conmutador de dos delgas a las escobillas, se obtienen 5,45
Vcc y 4,1 Vca (armónicos).
Material fotográfico ilustrativo:
REÓSTATO MOTOR IMPULSOR SIN USO MOTOR IMPULSOR
CORREA GENERADOR GENERADOR BOBINA DE CAMPO CAJA DE CONEXIONES VOLTÍMETRO 5 Ing. Sandra Silvester e Ing. Raúl Villoria
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Trabajos Prácticos de Laboratorio NÚCLEO MACIZO EN FORMA DE “U” CAJA DE CONEXIONES GENERADOR DESMONTADO VISTA LATERAL DEL GENERADOR BOBINAS DE INDUCIDO POLOS DE CAMPO ENDUCIDO (ROTOR) CONMU‐
TADOR DE 2 DELGAS ANILLOS ROZANTES GENERADOR DESMONTADO MONTAJE DEL GENERADOR SOBRE EL NÚCLEO DE ACERO MACIZO “U” PERNOS DE FIJACIÓN
POLO DEL INDUCIDO ESCOBILLAS ESCOBILLAS BORNES DEL GENERADOR PORTAESCOBILLAS
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Trabajos Prácticos de Laboratorio 1/2 CICLO F.E.M. DE CORRIENTE ALTERNA F.E.M. DE CORRIENTE CONTINUA ESQUEMA DE MONTAJE
OSCILOSCOPIO V (1) (2) REÓSTATO GENERADOR
F N
PAT BOBINA DE CAMPO MOTOR IMPULSOR V
FUENTE C.C. VARIABLE mA
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