Experimentos físicos

Experimento 8: Fenómenos Electromagnéticos

Resumen:

Explorar el comportamiento de un campo magnético.  Observar la inducción electromagnética en una bobina.

Teoría:

Ley de Faraday: Establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:

Donde E es el campo eléctrico, dl es el elemento infinitesimal del contorno C, B es la densidad

de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de dA están dadas por la regla de la mano izquierda.

Ley de Lenz: Las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:

Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb). B = Inducción electromagnética. La unidad en el SI es el tesla (T). S = Superficie del conductor.

α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.

Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:

En este caso la Ley de Faraday afirma que la FEM inducida en cada instante tiene por valor:

El signo ‘-‘ de la expresión anterior indica que la FEM inducida se opone a la variación del flujo que la produce. Este signo corresponde a la ley de Lenz.

La fuerza electromotriz (FEM): Es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. La inducción magnética o densidad de flujo magnético: símbolo (B), es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, también recibe el nombre de intensidad de campo magnético, ya que es el campo real. La unidad de la densidad en el Sistema Internacional es el tesla.

Está dado por:

B es la densidad del flujo magnético generado por una carga q que se mueve a una velocidad v a una distancia r de la carga, y ûr es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r):

B es la densidad del flujo magnético generado por un conductor por el cual pasa una corriente I, a una distancia r.

Conclusión:

Una corriente constante en el tiempo, a medida que nos alejamos de la bobina el campo magnético decae en forma exponencial. Mediante el movimiento oscilatorio de una bobina que pasa por un campo magnético se genera una variación de voltaje respecto al tiempo. Es interesante ver como mucho de los objetos que nos rodean como los motores y generadores eléctricos o los parlantes funcionan bajo este principio. Toda variación de flujo que atraviesa un circuito cerrado produce en éste una corriente inducida. La corriente inducida es una corriente instantánea, pero sólo dura mientras dura la variación del flujo.

Experimento 9: Transformador

Resumen:

El funcionamiento de un transformador y

se comprobaron las relaciones que se establecen entre Voltaje, Intensidad de Corriente y el

Número de Espiras de las bobinas que forman el transformador.

Teoría:

Un transformador es un dispositivo usado para variar tensiones y corrientes alternas.

Si sobre una de las bobinas (bobina primaria) se aplica una tensión alterna, la corriente alterna que circula por ella dará lugar a un campo magnético variable en el tiempo y, por tanto, a un flujo magnético variable en el tiempo. El núcleo de hierro se usa para que las líneas de campo magnético (y, por tanto, el flujo magnético) queden encerradas dentro de él. De este modo, a través de las espiras de la segunda bobina (bobina secundaria) pasarán las mismas líneas de campo (mismo flujo) que a través de las espiras de la bobina primaria. Como dicho flujo varía con el tiempo, se tendrá una fem inducida en la bobina secundaria. Se puede demostrar que la relación entre la tensión alterna V1 aplicada en el circuito primario y la tensión V2 en el secundario es:

Donde N₁, N₂ son el número de espiras de las bobinas primaria y secundaria, respectivamente.

Si N₂ > N₁ , V₂ > V₁ con lo que la tensión en el secundario será mayor que en el primario (transformador elevador o de alta). Si, por el contrario, N₂ < n₁,=»» la=»» tensión=»» en=»» el=»» secundario=»» será=»» menor=»» que=»» en=»» el=»» primario=»» y=»» el=»» transformador=»» recibe=»» el=»» nombre=»» de=»» transformador=»» reductor=»» o=»» de=»» baja.=»» de=»» este=»» modo,=»» se=»» puede=»» utilizar=»» un=»» transformador=»» para=»» aumentar=»» o=»» disminuir=»» una=»» tensión=»» alterna.=»» además,=»» la=»» potencia=»» eléctrica=»» consumida=»» en=»» el=»» primario=»» sería=»» igual=»» a=»» la=»» generada=»» en=»» el=»»>

Bajo esas condiciones, debe cumplirse:

Estos resultados corresponden a un transformador ideal, para el que se supone que todas las líneas de campo magnético (y, por tanto, el flujo magnético) quedan encerradas dentro del núcleo del transformador. Sin embargo, en un transformador real, una parte de las líneas de campo puede escapar del núcleo de hierro, por lo que no pasarán a través de las espiras de la bobina. El resultado es que el flujo magnético y la tensión inducida V₂ en la bobina secundaria serán menores que en el caso ideal:

Conclusión:

Una de las principales aplicaciones de los transformadores es elevar y bajar la tensión, esto se consigue con relación al número de vueltas en el devanado primario y en el secundario. Si el primario tiene mas espiras que el secundario es un transformador reductor, en caso contrario corresponde a un transformador elevador. ·En un transformador no hay aumento de potencia, es posible elevar o reducir el voltaje o la corriente, pero la razón básica de la potencia que entra en el devanado primario a la potencia que sale en el devanado secundario es 1:1, es decir, la potencia de entrada es igual a la potencia de salida. Lo anterior, despreciando las pequeñas pérdidas que se producen en el proceso de transferencia por el flujo magnético que se dispersa en el núcleo. · Las diferencias entre los resultados teóricos y los obtenidos experimentalmente se deben posiblemente a que trabajamos con un transformador real. Un transformador ideal no tiene pérdidas eléctricas o magnéticas de ningún tipo, mientras que en el real una parte de las líneas de campo puede escapar del núcleo de hierro, por lo que no pasarán a través de las espiras de la bobina, además, existe una pérdida de potencia en las resistencias de las bobinas.

Experimento 10: Circuito RCL en Serie

Resumen:

Determinar la relación entre la intensidad de corriente y la frecuencia en un circuito RLC serie, y a partir de allí determinar la frecuencia de resonancia del circuito. Verificar la igualdad de voltajes. Ver los desfases de las señales de voltajes. Determinar la impedancia equivalente del circuito

Teoría:

Un circuito RLC es un circuito en el que solo hay resistencias, condensadores y bobinas, estos tres elementos tienen por ecuaciones caracteristicas una relacion lineal entre tension e intensidad. De forma que para conocer el funcionamiento de un circuito deberiamos, aplicando las leyes de Kirchoff, resolver un sistema de ecuaciones diferenciales, para  determinar la tension e intensidad en cada una de las ramas:

En corriente alterna aparecen dos nuevos conceptos relacionados con la oposicion al paso de la corriente electrica. Se trata de la reactancia y la impedancia. Un circuito presentara reactancia si incluye condensadores y/o bobinas. En cuanto a la impedancia (Z) decir que es un concepto totalizador de los de resistencia y reactancia, ya que es la suma de ambos.

Cuando se conecta un circuito RLC en serie, alimentado por una senal alterna, hay un efecto de esta en cada uno de los componentes, en el condensador aparecera una reactancia capacitiva (Xc), y en la bobina una reactancia inductiva (XL), dadas por las siguientes formulas:

Como se puede ver los valores de estas reactancias dependen de la frecuencia de la fuente. A mayor frecuencia, XL es mayor, pero XC es menor y viceversa. Existe un caso especial en un circuito serie RLC.

Este se produce cuando Xc = XL, cuando tal ocurre decimos que el circuito esta en resonancia, y la frecuencia para la que ello ocurre se llamara frecuencia de resonancia:

Siendo w₀ = Frecuencia de Resonancia. F₀ = Frecuencia de Resonancia Nominal. Existe tambien un angulo de desfase entre las tensiones y corrientes (y entre las potencias), que incluso puede llegar a hacerse cero. En caso de que las reactancias capacitivas e inductivas sean de distinto valor para determinada frecuencia, tendremos desfase.

Conclusión:

·Determinamos la relacion que existe entre la corriente del circuito RLC y la frecuencia. Al observar el grafico correspondiente vemos como la corriente llega a un punto maximo y luego comienza a disminuir. ·Tambien esta la relacion de los voltajes de la resistencia, bobina y condensador v/s frecuencia. En primer lugar vemos que a mayor frecuencia el voltaje del condensador va disminuyendo mientras que el voltaje de la bobina va aumentando. En segundo lugar vemos que la resistencia se mantiene constante a medida que varia la frecuencia. ·En resonancia como los valores de XC y XL son iguales, se cancelan y en un circuito RLC en serie la impedancia que ve la fuente es el valor de la resistencia. A frecuencias menores a la de resonancia, el valor de la reactancia capacitiva es grande y la impedancia es capacitiva. A frecuencias superiores a la de resonancia, el valor de la reactancia inductiva crece y la impedancia es inductiva. ·Tambien vimos como bajo el efecto de la resonancia la amplitud del voltaje del condensador es practicamente la misma que la amplitud del voltaje de la bobina.

Experimento 11: Circuito RL en Serie

Resumen:

Determinar la relacion existente entre el Voltaje y el Tiempo en una

Inductancia. Obtener la constante de tiempo inductiva

Teoría:

Un circuito RL de corriente continua esta formado por una malla simple, con una fuente de voltaje V constante, una resistencia R y una inductancia L. Cuando se conecta la fuente, las caidas de potencial en las resistencias es RI, mientras que para el inductor, es:

Obteniendose la corriente en el circuito:

Si un circuito contiene una bobina, como un solenoide, la auto-inductancia de la bobina evita que la corriente en el circuito aumente o disminuya drasticamente. Un elemento de circuito que tiene una gran auto-inductancia se denomina inductor.

Si el voltaje de la bateria en el circuito se aumenta de manera que la corriente se eleve, el inductor se opone a este cambio, y la elevacion no es instantanea. Si el voltaje de la bateria disminuye, la presencia del inductor da como resultado una lenta caida en la corriente en lugar de una caída inmediata. Por lo tanto, el inductor provoca que el circuito se vuelva perezoso conforme reacciona a los cambios de corriente. Se tiene para los voltajes en la resistencia y la inductancia:

Conclusión:

Se obtuvo el valor de la constante de tiempo inductivo.