Balanza de Corriente

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:
1
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
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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)
0'500 + 0'001
1'000 + 0'001
1'500 + 0'001
2'000 + 0'001
2'500 + 0'001
Masa del conductor (gr)
30'47 + 0'01
30'47 + 0'01
30'21 + 0'01
30'10 + 0'01
30'01 + 0'01
3
3'500 + 0'001
4'000 + 0'001
5'000 + 0'001
29'80 + 0'01
29'80 + 0'01
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)
0'500 + 0'001
1'000 + 0'001
1'500 + 0'001
2'000 + 0'001
2'500 + 0'001
3'000 + 0'001
3'500 + 0'001
4'000 + 0'001
5'000 + 0'001
Masa del conductor (gr)
32'60 + 0'01
32'50 + 0'01
32'40 + 0'01
32'30 + 0'01
32'24 + 0'01
32'14 + 0'01
32'10 + 0'01
32'02 + 0'01
31'95 + 0'01
Conductor L = 50mm. Con n=1, Sin corriente, m0 = (40'43 + 0'01)gr.
CORRIENTE IL (A)
0'500 + 0'001
1'000 + 0'001
1'500 + 0'001
2'000 + 0'001
2'500 + 0'001
3'000 + 0'001
3'500 + 0'001
4'000 + 0'001
5'000 + 0'001
Masa del conductor (gr)
40'41 + 0'01
40'22 + 0'01
40'21 + 0'01
40'21 + 0'01
40'00 + 0'01
39'95 + 0'01
39'74 + 0'01
39'75 + 0'01
39'55 + 0'01
Conductor L = 50mm con n =2. Sin corriente , m0 = (38'44 + 0'01)gr.
CORRIENTE IL (A)
0'500 + 0'001
1'000 + 0'001
1'500 + 0'001
2'000 + 0'001
2'500 + 0'001
3'000 + 0'001
3'500 + 0'001
4'000 + 0'001
5'000 + 0'001
Masa del conductor(gr)
38'44 + 0'01
38'24 + 0'01
38'20 + 0'01
38'10 + 0'01
38'04 + 0'01
37'94 + 0'01
37'90 + 0'01
No se puede apreciar
No se puede apreciar
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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)
2'000 + 0'001
4'000 + 0'001
6'000 + 0'001
8'000 + 0'001
10'000 + 0'001
12'000 + 0'001
CORRIENTE IM (A)
0'039 + 0'001
0'201 + 0'001
0'369 + 0'001
0'537 + 0'001
0'704 + 0'001
0'871 + 0'001
Masa del conductor(gr)
38'20 + 0'01
38'10 + 0'01
38'03 + 0'01
38'00 + 0'01
37'94 + 0'01
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
5
• MATERIAL UTILIZADO
• MONTAJE
• REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA
• CUESTIONES
6