solenoide campo magnetico

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solenoide campo magnetico

 

SOLENOIDE

 


Resumen - En este documento se muestra la medición del campo magnético de un selenoide, mediante una balanza magnetica utilizada para medir la fuerza sobre L, ubicada perpendicularmente (L a B) al campo magnético en el interior de la bobina. Dicha medición se lograba equilibrando la balanza con hilos de densidad lineal conocida. Luego de tener conectada la bobina al amperímetro y usando una resistencia variable, debíamos medir la corriente que circula por la espira  para diferentes valores de voltaje, conociendo el valor de la corriente y de la fuerza ejercida sobre la balanza podemos calcular el valor del campo magnético

Palabras Clave – balanza magnetica, Campo Magnetico, Solenoide.

I. INTRODUCCIÓN
Los circuitos eléctricos es uno de los temas más relevantes en la física de electricidad y magnetismo, en este documento se analiza el comportamiento de algunos de ellos.  Los circuitos que serán expuestos y analizados en este informe  son sencillos,  pues están formados tan  solo por cables conductores, batería y bombillos que se asemejan al comportamiento de las resistencias, pero para fines prácticos y debido a su luminosidad nos van a ser más útiles.
El análisis de los circuitos en este documento lo dividimos en tres montajes, cada una de las cuales trata de darle solución a una cuestión general.  Se dan conceptos teóricos para así una vez hecho cada montaje se pueda llegar a la solución del problema, y a la confirmación o no, de lo que se dice en la teoría para cada circuito.
los temas tratados aquí y caracterizados en los circuitos son de suma importancia, ya que se trata de los conceptos fundamentales que se aplican a todos los circuitos eléctricos, asi que además de entender conceptos como circuito en serie o paralelo, potencia, corriente,  etc,   estamos formando una base sólida para futuras prácticas y análisis. Podemos verlo como el comienzo del entendimiento del amplio mundo de los circuitos eléctricos, y que por ahora nos va a llevar a algunas conclusiones del comportamiento  y características de algunos sencillos circuitos formados por bombillos.

II. MARCO TEORICO

  • CAMPO MAGNÉTICO

 

El hecho de que las fuerzas magnéticas sean fuerzas de acción a distancia permite recurrir a la idea física de campo para describir la influencia de un imán o de un conjunto de imanes sobre el espacio que les rodea. Al igual que en el caso del campo eléctrico, se recurre a la noción de líneas de fuerza para representar la estructura del campo. En cada punto las líneas de fuerza del campo magnético indican la dirección en la que se orientará una pequeña brújula (considerada como un elemento de prueba) situada en tal punto. Así las limaduras de hierro espolvoreadas sobre un imán se orientan a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético correspondiente y el espectro magnético resultante proporciona una representación espacial del campo. Por convenio se admite que las líneas de fuerza salen del polo Norte y se dirigen al polo Sur.

  • LA INTENSIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO

 

Como sucede en otros campos de fuerza, el campo magnético queda definido matemáticamente si se conoce el valor que toma en cada punto una magnitud vectorial que recibe el nombre de intensidad de campo. La intensidad del campo magnético, a veces denominada inducción magnética, se representa por la letra B y es un vector tal que en cada punto coincide en dirección y sentido con los de la línea de fuerza magnética correspondiente. Las brújulas, al alinearse a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético, indican la dirección y el sentido de la intensidad del campo B.
La obtención de una expresión para B se deriva de la observación experimental de lo que le sucede a una carga q en movimiento en presencia de un campo magnético. Si la carga estuviera en reposo no se apreciaría ninguna fuerza mutua; sin embargo, si la carga q se mueve dentro del campo creado por un imán se observa cómo su trayectoria se curva, lo cual indica que una fuerza magnética Fm se está ejerciendo sobre ella. Del estudio experimental de este fenómeno se deduce que:
La dirección de B es precisamente aquélla en la que debería desplazarse q para que Fm fuera nula; es decir, la de las líneas de fuerza. La unidad del campo magnético en el SI es el tesla (T) y representa la intensidad que ha de tener un campo magnético para que una carga de 1 C, moviéndose en su interior a una velocidad de 1 m/s perpendicularmente a la dirección del campo, experimentase una fuerza magnética de 1 newton.
1 T = 1 N/1 C. 1 m/s                            (1)

Aunque no pertenece al SI, con cierta frecuencia se emplea el gauss (G): 1 T = 104 G

  • EL MOVIMIENTO DE PARTICULAS EN UN CAMPO MAGNETICO

 

Los campos eléctricos y magnéticos desvían ambos las trayectorias de las cargas en movimiento, pero lo hacen de modos diferentes. Una partícula cargada que se mueve en un campo eléctrico (como el producido entre las dos placas de un condensador plano dispuesto horizontalmente) sufre una fuerza eléctrica Fe en la misma dirección del campo E que curva su trayectoria. Si la partícula alcanza el espacio comprendido entre las dos placas según una dirección paralela, se desviará hacia la placa + si su carga es negativa y hacia la - en caso contrario, pero siempre en un plano vertical, es decir, perpendicular a ambas placas. Dicho plano es el definido por los vectores v y E.
Si las dos placas del condensador se sustituyen por los dos polos de un imán de herradura, la partícula sufre una fuerza magnética Fm que según la regla de la mano izquierda es perpendicular a los vectores v y B. En este caso la trayectoria de la partícula cargada se desvía en el plano horizontal.

  • CAMPO MAGNÉTICO DEBIDO A UNA ESPIRA CIRCULAR

 

El estudio del espectro magnético debido a una corriente circular, completado con la información que sobre el sentido del campo creado ofrecen pequeñas brújulas, indica que las líneas de fuerza del campo se cierran en torno a cada porción de la espira como si ésta consistiera en la reunión de pequeños tramos rectilíneos. En conjunto, el espectro magnético resultante se parece mucho al de un imán recto con sus polos norte y sur. La cara norte de una corriente circular, considerada como un imán,es aquella de donde salen las líneas de fuerza y la cara sur aquella otra a donde llegan dichas líneas.
La relación entre la polaridad magnética de una espira y el sentido de la corriente que circula por ella la establece la regla de la mano derecha de la que se deriva esta otra: una cara es norte cuando un observador situado frente a ella ve circular la corriente (convencional) de derecha a izquierda y es sur en el caso contrario. La experimentación sobre los factores que influyen en el valor de la intensidad de campo B en el interior de la espira muestra que éste depende de las propiedades del medio que rodea la espira (reflejadas en su permeabilidad magnética μ), de la intensidad de corriente I y del valor del radio R de la espira, en la forma dada por la siguiente ecuación:
B = μ .I/2.R                                   (2)

  • CAMPO MAGNÉTICO DEBIDO A UN SOLENOIDE

 

Un solenoide es, en esencia, un conjunto de espiras iguales y paralelas dispuestas a lo largo de una determinada longitud que son recorridas por la misma intensidad de corriente. Su forma es semejante a la del alambre espiral de un bloc. El espectro magnético del campo creado por un solenoide se parece más aún al de un imán recto que el debido a una sola espira. La regla que permite relacionar la polaridad magnética del solenoide como imán con el sentido convencional de la corriente que circula por él es la misma que la aplicada en el caso de una sola espira. El estudio experimental de la intensidad del campo magnético B debido a un solenoide en un punto cualquiera de su interior pone de manifiesto que una mayor proximidad entre las espiras produce un campo magnético más intenso, lo cual se refleja en la expresión de B a través del cociente N/ L,siendo N el número de espiras y L la longitud del solenoide. Dicha expresión viene dada por la ecuación:

B = μ .I.N/l                 B = F/LI                  (3)

N/l: representa el número de espiras por unidad de longitud, siendo su valor tanto mayor cuanto más apretadas están las espiras en el solenoide.

III MONTAJE Y DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO

Para lograr el equilibrio de una “balanza” de brazos iguales, es inmediato que las fuerzas aplicadas a cada extremo deben ser iguales. Nuestra balanza tiene un brazo con un conductor plano enchapado. Dicho conductor se introduce en el solenoide. Cuando circula corriente por  el solenoide se genera el campo B.  Dicho campo actúa sobre la corriente que también circula por el conductor plano de la balanza. En este caso se cumplen las condiciones de la ley de Laplace:

 

F = B.i.l.sena

F12 = B.i.l12.sen 0°     = 0
F23 = B.i.l23.sen 90°   = B.i.l23
F34 = B.I.l34.sen 180° = 0

De donde surge que la fuerza magnética neta sobre el conductor plano es F23 La misma desequilibra la balanza (a partir de la regla de la mano derecha) por lo que para lograr el equilibrio aplicamos una fuerza conocida en el otro extremo (p.ej. el peso de un hilo de masa conocida m):

F23 = P = m.g
Sustituyendo F23
B.i.l23     = m.g
Aplicando B solenoide:
(  mo.N.i ).i. l23  = m.g
L
Despejando m :                   mo  l23N.i2  = m
g. L

 

IV RESULTADOS Y ANALISIS:

CAMPO MAGNETICO DE LA BOBINA 4A

 

 

 

 

 

I espira (A)

fuerza (N)

∆I (A)

I espira real

1

0,294

0,15

1,15

1,5

0,441

-0,3

1,2

2

0,588

-0,4

1,6

2,5

0,735

-0,42

2,08

3

0,882

-0,45

2,55

CAMPO MAGNETICO DE LA BOBINA 3A

 

 

 

 

 

I espira (A)

fuerza (N)

∆I (A)

I espira real

1

0,145

-0,15

0,85

1,5

0,159

-0,2

1,3

2

0,172

-0,25

1,75

2,5

0,252

-0,35

2,15

3

0,327

-0,4

2,6

CAMPO MAGNETICO DE LA BOBINA 2A

 

 

 

 

 

I espira (A)

fuerza (N)

∆I (A)

I espira real

1

0,09

0,12

1,12

1,5

0,105

0,15

1,65

2

0,128

-0,2

1,8

2,5

0,156

-0,3

2,2

3

0,21

-0,35

2,65

Como tenemos la expresión

Donde la fuerza depende de la corriente que circula por la espira y comparando con la expresión y=mx+b tenemos que y seria la fuerza y x la corriente que circula por la espira por lo tanto la pendiente seria el campo magnético producido por la bobina por el ancho de la espira. Pero en los datos tomados en el laboratorio hay mucha incertidumbre ya que no se puede determinar con certeza que los hilos equilibren totalmente la  balanza por ello las graficas de la fuerza en función de la corriente no son del todo lineales.

Mediante los diferentes datos tomados pudimos establecer el campo magnético de una bobina, y mediante cada una de las diferentes graficas pudimos ver que al establecer unos valores constantes de I se presento mayor fuerza para la bobina a 4A y menor fuerza para la bonina a 2A  lo cual nos indica que entre mayor sea la corriente mayor será la fuerza por lo tanto varían de forma proporcional.

V. CONCLUSIONES

La experiencia demuestra que al pasar corriente por un conductor enrollado en forma de hélice es posible generar un campo magnético. Además al introducir un material por el cual circula corriente el campo magnético hace que este material experimente una fuerza, esto es el resultado de que la corriente representa una distribución de muchas partículas cargadas en movimiento; por tanto, la fuerza resultante sobre el alambre se debe a la suma de las fuerzas individuales ejercidas sobre las partículas cargadas.

VI. REFERENCIAS

[1] RAYMOND A. SERWAY. FÍSICA TomoII. Cuarta Edicion. Mexico D.F. 1996.
[2] FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA VOLUMEN III / Paul A. Tipler
[3] http://www.fisicanet.com.ar/fisica/mag/ap01_campo_magnetico.php

Fuente del documento: https://electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/solenoide.doc

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