CURSO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

GUIA DE LABORATORIO: ESTUDIO DEL CAMPO MAGNETICO

 

OBJETO DE LA EXPERIENCIA TECNICA OPERATORIA
METODOLOGIA CUESTIONARIO
FUNDAMENTOS TEORICOS BIBLIOGRAFIA
MATERIALES A UTILIZAR Abrir archivo WORD

OBJETO DE LA EXPERIENCIA

 

 

 Estudio de la intensidad del campo magnético en función de la posición y de la corriente eléctrica

 

   

  METODOLOGIA

 

 

Consiste en colocar un sensor de campo magnético en el eje central del campo creado por un imán permanente y registrar la variación de intensidad de campo magnético en función de la distancia entre el sensor y el imán. De modo similar, se introduce el sensor en el interior de una solenoide y se registra la intensidad del campo en función de la corriente que circula por el mismo.

 

 

Fundamentos teóricos

 

Las primeras observaciones sobre campos magnéticos creados por corriente eléctricas fueron realizadas por Oersted, quien descubrió que cuando se sitúa una brújula debajo de un conductor rectilíneo por el que circula una corriente eléctrica, la aguja de la misma se ubica con su eje perpendicular a la dirección del conductor. Experimentos posteriores realizados por Biot y Savart y por Ampere, llevaron a deducir la relación existente entre la intensidad del campo en un punto y la distancia del mismo a la fuente del campo.

                                                                                                                    [1]

De igual modo, cuando la fuente del campo magnético es un circuito por el que circula una corriente de intensidad I, estas experiencias permitieron establecer la dependencia entre la intensidad del campo y la intensidad de la corriente que lo genera:

                                                                                                                       [2]

Dado que la corriente eléctrica no es nada más que cargas en movimiento, consideremos primero el campo magnético producido por una sola carga puntual en movimiento.

La FIG.1 muestra una carga puntual positiva q, moviéndose con una velocidad v, relativa al observador. Los vectores B  representan la dirección y magnitud relativa del campo creado por la partícula en diferentes puntos alrededor de ella. En cada punto, el P, por ejemplo, el vector B es perpendicular al vector velocidad v, y a su  ves, es perpendicular al plano determinado por los vectores v, y r, distancia de la carga al punto P.            
FIG.1.- CARGA EN MOVIMIENTO EN PRECENCIA DE UN CAMPO MAGNETICO. ESQUEMA VECTORIAL

Experimentalmente se encuentra que el vector intensidad de campo magnético B en cualquier punto es:

                                                                                                            [3]

De manera similar, el campo magnético en cualquier punto producido por la corriente en un circuito es el resultante (suma vectorial) de los campos debidos a los portadores de carga en movimiento en el circuito. Si dividimos imaginariamente al circuito en elementos cortos de longitud dl, la carga total en movimiento dentro del elemento viene expresada por:

                    

                                                                                                            [4]

con      n = número de portadores de carga por unidad de volumen.

            q = carga de cada portador

            A = sección transversal del conductor

            dl = longitud del elemento

 Así, las cargas móviles son equivalentes a una sola carga de magnitud dQ, moviéndose con la velocidad de deriva v, por lo tanto

                                        [5]

denominada Ley de Biot y Savart

 Se puede ver entonces la dependencia funcional de la expresión de la intensidad de campo magnético con la distancia al punto de cálculo y con la intensidad de la corriente que lo produce, corroborando en forma rigurosa y completa las ec.[1] y [2].

Material a utilizar  

  1. Interface SCIENCE WORKSHOP

  2. Computadora

  3. Amplificador de potencia

  4. Bobina.

  5. Imán.

  6. Sensor de campo magnético.

  7. Cables de conexión.

  8. Regla graduada.

CONSIDERACIONES EXPERIMENTALES:

Para ambas experiencias se trabajará con el sistema de adquisición de datos PASCO, por tanto proceda de la siguiente manera (la FIG.2. muestra el esquema utilizado):

FIG.2.- ESQUEMA DE INTERCONEXION ENTRE COMPONENTES A UTILIZAR

  1. Conecte la interface y el amplificador de potencia a la red de alimentación de 220 V.

  2. Conecte la interface SCIENCE WORKSHOP a la computadora.

  3. Encienda la interface, amplificador y luego la computadora.

  4. Inserte la conexión del amplificador de potencia en el canal analógico A.

  5. Conecte el sensor de campo magnético al canal analógico B.

  6. Haga doble clic en el icono SCIENCE WORKSHOP para correr el programa.

  7. En FILE (Menú Principal) seleccione OPEN (Abrir) y abra el documento “P61_CMAG.SWS” que se encuentra en el directorio indicado en la FIG.3. El documento se abrirá  mostrando una gráfica con campo magnético (Gauss) en función de corriente (A), una ventana del generador de señal que controla el amplificador de potencia y una ventana para la lectura digital del sensor de campo magnético (FIG.4). El generador de señal alimentará a la bobina con tensión continua, la que variaremos para poder visualizar en el gráfico, el efecto de la corriente en la intensidad del campo.

FIG.3.- VENTANA DE DIALOGO DE SELECCION DE ARCHIVOS

 

FIG.4.- COMPONENTES DE LA INTERFASE PASCO

 

 Técnica Operatoria

 

Dependencia del campo con la intensidad:

  1. Con los cables de conexión conecte la bobina al generador de señal (Fig.5.)

  2. Presionando el selector de modo en la parte frontal del sensor de campo magnético, seleccione hasta que se encienda el LED correspondiente a opción “Axial”.

  3. Con el ratón, haga clic en el botón “REC” para poner a cero el sensor y comenzar las mediciones (se abrirá una nueva ventana   de dialogo (FIG.6) que se utilizará para realizar las lecturas)   

  4. Puesta a cero del sensor: aleje el sensor de la bobina y presione el botón de “Zero” en la parte frontal del sensor de campo magnético. Bajo estas condiciones, se debe verificar que la indicación correspondiente a intensidad de campo oscile levemente alrededor de cero.

  5. Relevamiento de datos: Introduzca el extremo de la punta sensora en el interior de la bobina de forma que esta quede en el eje de la bobina y en el medio de la misma (FIG.5).

  6. Varíe la tensión de alimentación sobre la bobina (FIG.4) de 1V a 10V con saltos de 0.5V.

  7. Para cada valor, haga clic con el ratón sobre el botón para captura de dato (FIG.6). Así, el punto quedará registrado en el gráfico.

  8. Una vez alcanzado los 10V, invierta la polaridad de los terminales en el generador de señal.

  9. Sin mover la punta sensora de su posición, repita los puntos 6 y 7 anteriores.

  10. Finalice la toma de datos haciendo clic con el ratón sobre “Stop Sampling”.

  11. Ajuste los ejes del gráfico a fin de visualizar todos los puntos e imprímalo.

FIG.5.- ESQUEMA DEL CIRCUITO A EMPLEAR

 

FIG.6.- 

Dependencia del campo con la distancia:

  1. Cambio de variable independiente: Con el ratón, haga clic sobre el selector de variable independiente (FIG.6). Al desplegarse la lista de opciones seleccione la opción de teclado (FIG.7.).

  2. Con el ratón, haga clic en el botón "REC"para poner a cero el sensor y comenzar las mediciones (se abrirá una nueva ventana de dialogo (FIG.6) que se utilizará para realizar las lecturas).
FIG.7.- FIG.8.-

  1. Puesta a cero del sensor: aleje el sensor de la bobina y presione el  botón de “Zero” en la parte frontal del sensor de campo magnético. Bajo estas condiciones, se debe verificar que la indicación correspondiente a intensidad de campo oscile levemente alrededor de cero.

  2. Relevamiento de datos: Ubique la punta sensora casi tocando el polo magnético. (FIG.8). Utilice la regla graduada para las lecturas de distancia.

  3. Con el ratón haga clic sobre el botón para captura de dato (FIG.6)

  4. Aleje el sensor de a 1cm de por vez hasta que la lectura se haga cero. Para cada posición anote la distancia en el campo correspondiente a “valor de abscisa” (FIG.6) y realice la captura de dato así, el punto quedará registrado en el gráfico.

  5. Finalice la toma de datos haciendo clic con el ratón sobre “Stop Sampling”.

  6. Ajuste los ejes del gráfico a fin de visualizar todos los puntos e imprímalo.

    Cuestionario

  1. Partiendo de la ec.[5], deduzca la expresión del campo en el interior de un solenoide.

  2. Asumiendo que la bobina utilizada fuese de sección circular, cuál es la relación entre, la pendiente de la recta obtenida experimentalmente, el número de vueltas de la bobina y su radio.

  3. Analizando la ecuación para el solenoide (deducida en el punto 1), se puede decir que esta predice la misma pendiente y ordenada al origen para igual valor de corriente positiva o negativa? Presente una discusión relacionando los resultados obtenidos.

BIBLIOGRAFIA