MAGNETISMO AUMENTADO Cuaderno
Anuncio
Proyecto curso CEFIRE “Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas” Magnetismo Aumentado Una nueva visión de Electrotecnia 0 Bernat Llopis Francisco Garcia dfgdfgdf 2012-2013 1 Magnetismo Aumentado Actividad para realizar experiencias de magnetismo y electromagnetismo en el módulo de electrotecnia de ciclos formativos de Grado Medio. Mediante estas actividades se intenta mejorar la comprensión y experimentación de fenómenos magnéticos y electromagnéticos. Este manual consta de varias experiencias que utilizan códigos QR para visualizar ejemplos de las actividades que debes realizar. Mediante Realidad Aumentada (RA) observarás diferentes elementos en forma tridimensional y en la última actividad, este método te permitirá ver las instrucciones de montaje del ejercicio final. Instrucciones 1. Descarga Aumentaty Viewer e instala el software en tu ordenador. 2. Descarga el archivo desde la web del proyecto, el archivo: magneto.atx 3.- Imprime este dossier, que contiene los marcadores de Realidad Aumentada además de códigos QR, para realizar las actividades. 4. Abre la página de cada ejercicio, colócate delante del ordenador y muestra las marcas a la webcam. 5. Aparecerá un modelo 3D sobre el marcador de la página del libro, en la pantalla de tu ordenador. Necesitarás también un lector de códigos QR en tu dispositivo móvil o en tu ordenador para que aparezcan determinadas informaciones en la pantalla. 2 Magnetismo Aumentado Indice Instrucciones ............................................................................................................................................................1 Indice ...........................................................................................................................................................................2 1. Introducción ........................................................................................................................................................3 2. Imanes ....................................................................................................................................................................3 2.1. Propiedades de los imanes...................................................................................................................................... 3 Experiencia 1 Identificación de los polos de un imán ................................................................................................ 3 Experiencia 2: Indivisibilidad de los polos de un imán ............................................................................................... 4 Experiencia 3: Leyes de atracción y repulsión magnéticas ........................................................................................ 4 Explicación 4: Magnetización inducida...................................................................................................................... 4 2.2. Clasificación y Aplicaciones de los imanes .............................................................................................................. 5 3. Campo magnético ................................................................................................................................................. .......................................................................................................................................................................................5 Experiencia 5 Visualización del campo magnético producido por un imán ............................................................... 5 3.1. Magnitudes magnéticas .......................................................................................................................................... 6 3.2. Propiedades magnéticas de la materia ................................................................................................................... 6 experiencia 6 estudiar el comportamiento de distintos materiales........................................................................... 6 4. Electromagnetismo ...........................................................................................................................................6 Experiencia 7. Una corriente genera un campo magnético ....................................................................................... 6 Experiencia 8. Un campo magnético genera una corriente eléctrica. ....................................................................... 7 4.1. Generación de un campo magnético a partir de corriente eléctrica....................................................................... 7 Experiencia 9, que lleva su nombre: Experiencia de Oersted..................................................................................... 7 Intensidad de campo magnético (H) .............................................................................................................................. 7 Máquinas electromagnéticas simples ............................................................................................................................ 7 Electroimán .................................................................................................................................................................... 8 Circuito magnético ......................................................................................................................................................... 8 Fuerza electromagnética ................................................................................................................................................ 9 4.2. Generación de corriente eléctrica a partir de un campo magnético....................................................................... 9 Ley de Faraday .......................................................................................................................................................... 9 Generador elemental ................................................................................................................................................ 9 Ley de Lenz. Sentido de la fuerza electromotriz inducida. ......................................................................................... 9 4.3. Consecuencias de los flujos variables.................................................................................................................... 10 Corrientes de Foucault............................................................................................................................................. 10 Histéresis magnética ............................................................................................................................................... 10 4.4. Coeficiente de autoinducción ............................................................................................................................... 10 Aplicaciones de la autoinducción ................................................................................................................................. 10 Experiencia final .................................................................................................................................................. 11 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR .................................................................................................................................. 11 LISTA DE MATERIALES .................................................................................................................................................. 11 CONSTRUCCION DEL BASTIDOR ................................................................................................................................... 12 CONSTRUCCION DEL ROTOR ........................................................................................................................................ 13 a. Construcción de las delgas .................................................................................................................................. 13 b. Construcción del bobinado electroimán .............................................................................................................. 14 c. Montaje ............................................................................................................................................................... 14 Construcción DE LAS ESCOBILLAS ................................................................................................................................ 14 ENSAMBLE.................................................................................................................................................................... 15 DETALLES DE TIPO PRACTICO ....................................................................................................................................... 15 PRUEBAS ...................................................................................................................................................................... 15 Comprueba tu aprendizaje........................................................................................................................................... 15 3 Magnetismo Aumentado 1. Introducción El magnetismo es la parte de la Física que estudio las acciones magnéticas y los campos magnéticos. El electromagnetismo es la parte de la Electrotecnia que estudia las relaciones recíprocas entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas. El electromagnetismo tiene gran cantidad de aplicaciones, la más extendida es aquella en la que interviene la energía mecánica, es decir, el movimiento como es el caso de los motores. Para saber más: historia de los imanes. 2. Imanes Un imán es una sustancia con propiedades magnéticas, es decir, con la facultad de atraer al hierro y a otros metales magnéticos. Los imanes suelen estar formados por metales como el níquel, el hierro y sus aleaciones. Todos los materiales reaccionan, en mayor o menor grado ante la presencia de imanes. Las zonas donde se manifiesta con mayor intensidad la acción magnética son los extremos o polos, disminuyendo hasta la región media o zona neutra. Todos los imanes tienen dos polos inseparables y distintos (forman un dipolo). 2.1. Propiedades de los imanes Experiencia 1 Identificación de los polos de un imán A la vista de la figura que veas al poner el marcador frente a la cámara realiza las siguientes actividades: 1: qué tipo de imán es: o _________________ 2: gira el marcador y dibuja el imán señalando la línea neutra 3: marca sobre el dibujo los polos del imán. Responde: 4: ¿de dónde reciben los polos su nombre? 5: si lo sujetases suspendido de un hilo ¿hacia dónde se orientará? 4 Magnetismo Aumentado Una aguja imantada suspendida y dotada de libertad de movimiento, constituye un magnetómetro elemental o brújula que, además de permitirnos la orientación, nos permite detectar la presencia de imanes (o electroimanes), es decir la presencia de un campo magnético, además de su dirección y sentido. Es el momento de que realices una aplicación práctica. Para ello enfoca con tu dispositivo móvil este código QR y sigue las instrucciones para realizar el tuyo en el aula. Experiencia 2: Indivisibilidad de los polos de un imán ¿Qué sucede cuando rompemos un imán? Piensa coméntalo en grupo para ponerlo en común en clase y comprobar las conclusiones. Experiencia 3: Leyes de atracción y repulsión magnéticas Observa QR la experiencia 1 (del min 0 al 1:25) del video que puedes ver capturando este código ¿Qué sucede cuando los imanes tienen la misma polaridad? Tu respuesta: Explicación 4: Magnetización inducida Podemos conseguir que un determinado material adquiera las propiedades de un imán. En este código descubrirás cómo se hace. ¿Se te ha ocurrido pensar cómo se fabrican? Obsérvalo ahora: Responde ahora: a) ¿Si a añadimos sucesivamente objetos a un imán también serán magnetizados y atraídos por el anterior? _________ b) ¿se puede magnetizar un material ferro magnético como el alnico (aleación de aluminio, níquel y cobalto) en un fuerte campo magnético? _____ 5 Magnetismo Aumentado 2.2. Clasificación y Aplicaciones de los imanes Indica sobre este espacio los polos del imán que aparece al mostrarlo a la cámara ¿Dónde emplearías este tipo de imán? Tu respuesta: DESCUBRE: El Contador de energía eléctrica. Vamos a ver en el aula un contador de energía por dentro, identifica sus partes y conoce su conexionado. 3. Campo magnético El campo magnético es la región del espacio en la que se producen fenómenos de tipo magnético (atracciones-repulsiones con otros elementos magnéticos), es decir, el espacio alrededor de uno o más imanes. Experiencia 5 Visualización del campo magnético producido por un imán Actividad práctica: En el video que puedes ver ahora (hasta min 3:15) capturando este código QR, te dará las pistas para realizar con tu equipo de trabajo esta misma experiencia. Para ello anota los materiales necesarios para visualizar las líneas de fuerza en el aula. Anota en el recuadro los materiales y el proceso que has seguido: 6 Magnetismo Aumentado 3.1. Magnitudes magnéticas 3.2. Propiedades magnéticas de la materia Experiencia 6 estudiar el comportamiento de distintos materiales Busca ahora un imán potente o un juguete magnético y comprueba que en el espacio entre dos imanes interponiendo diferentes materiales entre ellos. Casos Prácticos. RESUELVE Comprueba Un imán de sección cuadrada es atravesado por un flujo de 20 mWb. Si la inducción magnética en su interior tiene un valor de 0,5 T, determina la longitud del lado de la sección transversal del imán. La inducción β de un imán es de 1,256 T, siendo 15 cm su longitud y 3 cm2 su sección. Calcula el Flujo magnético. 4. Electromagnetismo Vamos a comprobar, mediante dos experiencias, el vínculo existente entre corrientes eléctricas y campos magnéticos. Experiencia 7. Una corriente genera un campo magnético ¿Qué sucede al aproximar una brújula a un conductor por el que circula una corriente eléctrica? Para comprobarlo, observa que sucede en este video al que accederás desde el código QR Puedes comprobarlo con la brújula, incluso si tienes instalada una en tu dispositivo móvil y anotar tus conclusiones. 7 Magnetismo Aumentado Experiencia 8. Un campo magnético genera una corriente eléctrica. SI dispones de tiempo puedes construir una bobina con hilo de cobre esmaltado y conectarla a un amperímetro para estudiar las consecuencias al acercar un imán y anota tus observaciones. 4.1. Generación de un campo magnético a partir de corriente eléctrica Hans Christian Oersted fue el primer científico que observó el fenómeno que describe la Experiencia 9, que lleva su nombre: Experiencia de Oersted El paso de una corriente eléctrica a través de un conductor siempre genero un campo magnético a su alrededor. Observa y anota las conclusiones. Para saber más: Laboratorio virtual Intensidad de campo magnético (H) La intensidad de campo magnético se define como el número líneas de fuerza por unidad de superficie, por lo que es equivalente a la inducción magnética, y se diferencia en la magnetización. Prueba esto con un monitor antiguo de ordenador (tubo de rayos catódicos) y acerca un imán de suficiente potencia. ¿Qué pasa al mover el imán alrededor del monitor? Cuidado, no lo experimentes sobre un monitor en uso, pues podría quedar imantado y ofrecería imágenes deformadas. Casos Prácticos. RESUELVE Comprueba Entre dos caras polares existe una intensidad de campo de 20 A/m. Se introduce un núcleo magnético que adquiere una inducción de 1,4 T. Determina el valor de la permeabilidad absoluta magnética del núcleo. Máquinas electromagnéticas simples Todas las máquinas eléctricas se basan en otros elementos más simples que se estudian a partir de la experiencia de Oersted, por lo que es muy importante conocer los campos magnéticos generados por los elementos electromagnéticos simples en los que se basan las máquinas eléctricas. Son los siguientes: conductor rectilíneo infinitamente largo, espira circular y solenoide. El sentido del campo magnético creado por una corriente eléctrica a través de un conductor rectilíneo viene dado por el sentido de giro de un tornillo que avanzase en el sentido de la intensidad (Ley de biot y Savart) Aquí puede ver otra simulación. Recuerda o comprueba una aplicación práctica del campo magnético producido por un conductor rectilíneo manejando una pinza amperimétrica en clase. Regla de Maxwell aplicada a la espira o solenoide El sentido del campo magnético generado en el centro de una espira, fc, coincide con el del avance de un tornillo (o sacacorchos) que girase en el sentido de la corriente I que la recorre 8 Magnetismo Aumentado Busca en Wikipedia el significado de las palabras dextrógiro y levógiro. Un solenoide es un conductor en forma de bobina (o arrollamiento) cuyo interior (o núcleo) está constituido por un material no magnético (aire, cartón, etc.). Electroimán Vamos a conocer una aplicación muy común de los electroimanes a través del código que tienes al margen. También puedes ver este video donde explica el funcionamiento de un timbre doméstico. Para aumentar el efecto magnético del solenoide, se puede introducir un núcleo de material ferro magnético en su interior, ya que al mejorar la permeabilidad del medio que deben atravesar las líneas de fuerza, estas se concentran y mejoran notablemente el campo en su interior. El elemento obtenido se denomina electroimán, y sus aplicaciones más importantes son similares a las de los imanes, pero las fuerzas son mayores, y se activan o desactivan alimentando o desconectando el electroimán. La aplicación más importante es la de formar los circuitos magnéticos de las máquinas eléctricas. Sobre una imagen en 3d, identificar partes: Armaduras, entrehierro, soporte (diego 1b2) Circuito magnético Una mejora más en los dispositivos electromagnéticos consiste en conseguir que el núcleo ferro magnético sea cerrado y que los cambios de dirección sean suaves para que se pierda la menor cantidad de líneas de fuerza y mejorar el rendimiento. Completa esta tabla: Magnitud magnética Reluctancia M Flujo Fmm F Ley de Hopkinson ϕ = F / R Definición Equivalente Magnitud eléctrica 9 Magnetismo Aumentado Fuerza electromagnética Fuerza ejercida sobre un conductor que transporta corriente en el seno de un campo magnético. Observa la figura que veras a través del código QR y anota junto al código, las conclusiones a las que llegues en tu grupo de trabajo. Conclusiones: 4.2. Generación de corriente eléctrica a partir de un campo magnético Ley de Faraday La fuerza electromotriz generada en un bobinado es directamente proporcional al número de espiras del bobinado y a la velocidad de variación del flujo. El valor de la fem inducida en el devanado se determina con la expresión: El signo negativo representa que la fem inducida se opone a la causa que lo produce (Ley de Lenz que veremos más adelante). Por tanto, la fuerza electromotriz inducida depende de la velocidad de variación del flujo. Este fenómeno es el denominado efecto generador. Mira el experimento de demostración de la ley de FARADAY a través de este código. Cuando lo hayas hecho, experiméntalo en tu dispositivo capturando este otro QR. Generador elemental Un generador de corriente alterna, produce una corriente alterna, lo que significa que el voltaje producido alternativamente invierte la polaridad de positivo a negativo, produciendo un cambio correspondiente en la dirección del flujo de corriente como puedes observar ahora. Anota que ocurre al aumentar la rotación de la bobina respecto a la frecuencia. También puedes comprobarlo en esta otra animación. Ley de Lenz. Sentido de la fuerza electromotriz inducida. ¿Cómo funciona el freno magnético de un camión? Mira en a través de este código una aplicación práctica de la Ley de Lenz Según la ley de Lenz: La fuerza electromotriz inducida se opone siempre a la causa que la produce. 10 Magnetismo Aumentado 4.3. Consecuencias de los flujos variables Corrientes de Foucault También llamadas parásitas, las corrientes de Foucault se producen en cualquier conductor eléctrico (metales en general) que esté sometido o flujos variables, incluidos los circuitos magnéticos, que es normalmente donde más se manifiestan. Se establecen en el núcleo de la máquina y se distribuyen al azar por toda su sección. Explica a través del video anterior que consecuencias tienen en las máquinas de corriente alterna este efecto respecto a los flujos variables e indica alguna aplicación práctica del uso de corrientes de Foucault: Histéresis magnética Para estudiar la relación entre la inducción magnética y la intensidad de campo podemos observar a través del siguiente código una detalla presentación. Una vez visualizada, describe con tus propias palabas en qué consiste. 4.4. Coeficiente de autoinducción La autoinducción es el fenómeno por el que una corriente eléctrica que varía en el tiempo en un circuito eléctrico produce en el mismo circuito otra fuerza electromotriz inducida que se opone a la variación de la fuerza electromotriz. Observa en que en ocasiones, al apagar un interruptor de un circuito (sobre todo si este alimenta a lámparas fluorescentes) se observa que, incluso a través de la carcasa de plástico del mismo, aparece una chispa. ¿A qué crees que se debe? Ese resplandor obedece a la tendencia de las bobinas magnéticas (que contienen este tipo de circuitos) a mantener la corriente eléctrica cuando se interrumpe, aunque sea mediante un arco a través del aire entre los contactos del interruptor cuando estos se separan. Los circuitos con bobinas también tratan de impedir que circule la corriente cuando se cierra el interruptor. Aplicaciones de la autoinducción ¿Crees que el magnetismo terrestre puede tener algún efecto con la naturaleza? El magnetismo tiene presencia en fenómenos naturales como el campo magnético terrestre, en objetos de la vida cotidiana como el altavoz, el motor eléctrico o las tarjetas de crédito, y en aplicaciones más avanzadas como equipos de diagnóstico médico (RMN y TAC) o trenes de alta velocidad (MAGLEV y TELMAG) que puedes ver a través de este código. Además, son esenciales para la producción de energía y las telecomunicaciones. Los campos magnéticos se generan de forma natural por materiales magnéticos, conocidos como imanes, o por corrientes eléctricas en conductores. Observa el video sobre la aurora boreal a través de este código y responde a esta cuestión ¿puede el magnetismo terrestre influir en la aparición de las auroras boreales? 11 Magnetismo Aumentado Experiencia final FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR - Se distinguen dos partes: rotor y estator - El rotor comprende todas las piezas solidarias con el eje, y que giran con él: las dos delgas y el bobinado. - El estator está formado por los elementos que no se mueven: los dos imanes permanentes y las dos escobillas. - La alimentación eléctrica se conecta al electroimán a través de las dos escobillas y de las dos delgas. Los polos magnéticos que aparecen en el electroimán se atraen o se repelen con los de los imanes permanentes, lo cual hace girar al conjunto. LISTA DE MATERIALES 1 Tablero de 12 x 24 cm 2 Imanes 1 Eje de hierro 2 Poleas 1 Bobina hilo cobre esmaltado 2 Laminillas de hojalata y 4 Laminillas de bronce 2 Prisioneros de latón 1 Tubo plástico 10 Escuadras 12 Magnetismo Aumentado CONSTRUCCION DEL BASTIDOR Cortar el tablero según la figura para obtener los soportes La base debe medir 19x12 cm. Del resto necesitas 4 soportes cuya altura será de 5 cms, teniendo 4 cms en su base y 2 cms en la parte superior. Atornillar los 4 soportes al tablero mediante las escuadras metálicas como muestra la imagen. - Corta por la mitad cada lámina de bronce y dóblalas como la figura - Pega los dos imanes como verás en la imagen siguiente: 13 Magnetismo Aumentado OBSERVA que los polos magnéticos estén enfrentados. CONSTRUCCION DEL ROTOR a. Construcción de las delgas - Encajar las poleas en los extremos del tubo y pegarlas. - Cortar en dos trozos de 2 x 3 cm de una laminilla de bronce y hacerle un pequeño saliente para la conexión con los extremos del bobinado de cobre (doblar para hacer la conexión). - Pegar el cuerpo de las dos laminillas en un extremo del tubo para hacer las delgas sin que se toquen entre ellas. Comprobar con un polímetro que no hay contacto eléctrico entre las dos delgas. 14 Magnetismo Aumentado b. Construcción del bobinado electroimán Preformar las dos laminillas de hojalata como se indica en la figura. Enfrentar las dos laminillas y encintarlas con cinta celo para formar el núcleo del electroimán. Observa que: Encinta bastante para evitar el roce con el hilo de cobre y se produzca un corto circuito - Bobinar el hilo de cobre esmaltado hacia delante y hacia atrás, pero girando siempre en el mismo sentido (aproximadamente dos capas). Terminar los extremos del bobinado sobre la parte central. Lijar bien 2 cm aproximadamente el comienzo y el final del hilo de cobre para quitar el esmalte, ya que tendrá que hacer contacto con la punta de las delgas. Comprobar que funciona como electroimán conectando una fuente de alimentación entre 3 y 5V a los extremos del bobinado y observando que atrae a los pequeños clavitos. c. Montaje - Poner el tubo por dentro del círculo del electroimán. - Encintar con celo para que no se mueva el conjunto, dejando fuera solamente los dos extremos del bobinado. - Conectar los dos extremos del bobinado a las delgas, preferiblemente soldando. - Doblar el eje de hierro para formar la manivela. Ensartar la manivela al tubo del rotor. El eje debe quedar solidario con el tubo. Si tuviera holgura con el agujero de los polos, utilizar un pegamento fuerte. Colocar en el eje las dos escuadras y prisioneros para ubicar el rotor en el bastidor. Construcción DE LAS ESCOBILLAS Recortar un trocito de 3 cm x 1 cm de cada laminilla de bronce y reservarla para las escobillas. 15 Magnetismo Aumentado ENSAMBLE Finalmente, siguiendo el croquis que verás en este marcador, ensamblar el bastidor con el rotor, atornillando las escuadras. Clavetear las escobillas para que hagan contacto con las delgas y conectarlos a los dos terminales de conexión de la fuente de alimentación. DETALLES DE TIPO PRACTICO - Comprobar con un polímetro que las laminillas de bronce no toquen con las de hierro ni entre sí. No olvidar limar las puntas del hilo de cobre esmaltado para asegurar un buen contacto eléctrico con las delgas. - Es necesario que los imanes se coloquen enfrentados para que se atraigan entre ellos. - Tiempo aproximado de construcción: 4 sesiones. PRUEBAS - Comprobar que el bobinado del rotor actúa corno un electroimán: antes de colocarlo en el estator, aplicarle directamente tensión (menos de 5v) y comprobar que atrae a los clavitos de hierro. - Colocar el rotor en el estator y aplicar tensión. Si el motor no comienza a girar, darle un pequeño empujón para ayudar al arranque. Si continua sin girar o gira y se para, observar si las escobillas hacen bien contacto con las delgas. Si a pesar de todo sigue sin girar, colocar uno de los dos imanes permanentes en sentido contrario a como estaba. - Tener cuidado con las conexiones: comprobar que hay cortocircuito entre cada terminal de entrada de la pila hasta la delga correspondiente para asegurar que la tensión de la fuente de alimentación o pila, llega a las delgas a través de las escobillas. Comprueba tu aprendizaje Es hora de comprobar lo que has aprendido, para ello captura el código con tu dispositivo y accede a la web para realizar un cuestionario final. 16 Magnetismo Aumentado “Magnetismo Aumentado” se distribuye bajo una licencia Creative Commons
