Electromagnetismo
Mérida, agosto 2017
NOTA
Cada día se incluye una parte del libro con videos que los autores han colocado en youtube.com
Contenido
Prólogo
1. Introducción
2. Bosquejo histórico
3. El imán permanente
4. El alambre rectilíneo
5.
La espira circular
6.
La bobina rectangular y el toroide
7.
Fuerza magnética sobre un alambre con corriente
8. Atracción y repulsión
entre alambres con corrientes
9.
Momento de torsión sobre una espira con corriente
10. El motor eléctrico
11. La inducción electromagnética
Referencias
Prólogo
Por ser la física una ciencia natural
que describe un conjunto de fenómenos que se dan en la naturaleza, requiere
para su enseñanza de la presentación en “vivo” de experimentos didácticos
representativos de tales hechos naturales. A pesar de esto, todavía se
insiste en impartir los cursos de física de la Tercera Etapa y el Ciclo
Diversificado de educación media, como si fuera una materia completamente
teórica, donde sólo se utiliza como instrumento principal, la tiza, el pizarrón
y el libro de texto.
Consideramos que por
lo general, la mayoría de los cursos impartidos, a nivel medio e incluso
universitario, se caracterizan por presentar cuatro aspectos principalmente:
a)
Se omite la discusión de la evolución conceptual de los diferentes procesos
físicos.
b) No se discuten los diversos
procesos físicos dentro del contexto histórico de la época desde el punto de
vista social y económico.
c)
La presentación y análisis de los
fenómenos demostrativos directamente en el aula de clase, generalmente
no se llevan a cabo.
d)
No se discuten las implicaciones de la fundamentación de las diversas
teorías en el desarrollo tecnológico
mundial.
Estos aspectos,
íntimamente relacionados entre sí, deberían considerarse para llevar a cabo
cualquier estrategia instruccional que el docente adopte para el desarrollo de
los conceptos y el estudio de las leyes
de las diferentes ramas de la física.
Por consiguiente, el
objetivo fundamental de este manual es que sea usado por los profesores para la
implementación de sus experimentos en el aula de clase. En tal sentido, se
muestra a los docentes que laboran en nuestros institutos educativos una
estrategia alternativa para la enseñanza de la física, fundamentada en el
experimento como recurso didáctico por excelencia y complementada con la
animación y/o la simulación simultánea del fenómeno experimental. Paralelamente
se presenta un bosquejo histórico de la evolución conceptual de aspectos
inherentes a diferentes áreas de la física.
También se pretende
que el docente adquiera y desarrolle habilidades en el diseño y elaboración de
equipos sencillos para la enseñanza de las diferentes ramas de la física. En
algunas experiencias se desarrolla una metodología para la interpretación de
las observaciones y de los datos obtenidos en las mediciones. Por lo tanto, se
elaboran y analizan las gráficas pertinentes, a fin de establecer relaciones
cuantitativas entre las diferentes magnitudes involucradas y reproducir
cuantitativamente las leyes que rigen los fenómenos estudiados.
La mayoría de los
experimentos se realizan con equipos
sencillos de fácil construcción, que los docentes pueden directamente
fabricar o proponer a sus estudiantes como trabajos prácticos extra cátedra,
para su posterior análisis en el aula de clase. Con algunos de los recursos
modernos existentes en el mercado y que existen en ciertos hogares, se pueden
establecer estrategias para la enseñanza de la física. Por ejemplo, en el hogar
o en la ferretería más cercana, disponemos de diversos elementos que nos
permiten el montaje de un sin número de experimentos de mecánica, electricidad,
magnetismo, fluido, termodinámica, etc.
Esta obra se ha
dividido en varios cuadernos individuales con su correspondiente CD contentivo
de las animaciones en Power Point, versión XP 2000. Uno es de mecánica; los
otros son de fluidos, termodinámica,
electrostática, electricidad, magnetismo, ondas y óptica.
En particular, en
este cuaderno se presentan algunos experimentos clásicos del electromagnetismo.
En el texto se
utiliza las siglas PE1, PE2,… para indicar la correspondiente animación en
Power Point que se puede activar en la computadora.
1 Introducción
El electromagnetismo comprende todo el
conjunto de procesos físicos donde se manifiestan los fenómenos relacionados
con las cargas eléctricas en movimiento y donde se encuentran involucrados
simultáneamente efectos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, antes de 1820, la
electricidad y el magnetismo eran dos áreas de la física completamente
independientes. En esa época, existía toda una serie de indicios en los hechos
ocurridos durante la caída de rayos en diversos lugares del planeta, que
reforzaron la idea de que la electricidad asociada con éstos podría producir
efectos magnéticos, y que verdaderamente contribuyeron a descifrar la
naturaleza del magnetismo. En Tres Milenios del Imán de Kartsev
se hace un excelente recuento de las anécdotas asociadas con esta inquietud
(Apéndice A).
Fue
en 1807 cuando Hans Christian Oersted, anunció su disposición para investigar
los efectos de una corriente eléctrica sobre un cuerpo magnetizado, lo cual se
concretó en 1820 cuando descubrió el movimiento de una brújula al hacer pasar
una corriente eléctrica por un alambre durante la realización de una clase
experimental en la
Universidad de Copenhague. En base a esto, Oersted también dedujo
que la corriente eléctrica debería producir efectos magnéticos sobre un trozo
de hierro tal como sucede con un imán, y es así como, con limaduras de hierro
logra determinar la configuración del campo magnético producido por la
corriente eléctrica, alrededor del alambre que la conduce.
Es
a partir de este descubrimiento que, se logra establecer una interdependencia
de estas dos áreas del conocimiento científico y es cuando comienza a
desarrollarse en forma progresiva y rápida todo una serie de avances
importantes en este campo.
En
este cuaderno se describen algunos de los descubrimientos e inventos más
importantes que se dieron antes y posteriormente, y se muestra cómo construir
el equipo necesario para reproducirlos en el aula de clase.
2 Bosquejo histórico
Los
primeros reportes sobre la atracción de la piedra imán (magnetita) y el ámbar
(resina fósil) se remontan a los antiguos textos griegos con Tales de Mileto, quién en el año 600 a .C reportó la propiedad
que tiene la piedra imán (magnetita, Fe3O4) de atraer pedazos de hierro.
Igualmente, en antiquísimas enciclopedias chinas se menciona que entre los años 300 y 400 a .C., los barcos
utilizaban la aguja magnética, lo cual indica que tenían conocimiento de dicha
propiedad. El
nombre asociado a esta piedra mineral deriva de la ciudad griega de Magnesia,
lugar donde se descubrió.
Sin embargo, se considera que el
fundador de la ciencia del magnetismo fue William
Gilbert, quién después de 17 años de experimentar con imanes,
reportó sus descubrimientos en De Magnete, publicado en 1600. Fue el primero
en elaborar un modelo magnético de la Tierra en el año 1600, así
como en introducir la palabra "eléctrico" en la
ciencia.
En el
año de 1820 el físico Hans Christian Oersted descubre la interrelación existente entre la electricidad
y el magnetismo, cuando al hacer pasar
una corriente eléctrica por un cable conductor, observa la desviación de una
brújula cercana.
Pocos
días después (el 30 de octubre de 1820), Jean Batiste Biot y Félix Savart, expresan cuantitativamente
cómo depende el campo magnético generado por una corriente elemental de la
distancia. Posteriormente, André Marie Ampère (figura 1), una semana después del descubrimiento de Oersted,
descubrió que dos alambres paralelos con corrientes se atraen o repelen entre
sí. En 1825 publica sus descubrimientos y estudios teóricos del electromagnetismo
en una de las memorias más celebres del conocimiento científico.
Fig. 1 André Marie Ampère
El químico y físico inglés Michael Faraday (1791-1867) desarrolló a finales de 1921, un
ingenioso instrumento para demostrar que la energía eléctrica, mediante el
electromagnetismo, se puede convertir en energía mecánica (figura 2). Hoy en
día, una versión equivalente de este instrumento se conoce como motor
eléctrico. En 1831 descubre la inducción
electromagnética, efecto mediante el cual se puede generar electricidad por el cambio temporal del flujo magnético, e
inventa así, el generador eléctrico. Demuestra la relación entre la
electricidad y los enlaces químicos. También,
sentó las bases experimentales para el desarrollo posterior de la teoría
clásica del electromagnetismo por Maxwell.
Fig. 2
Modelo del primer motor eléctrico
de Faraday.
En 1870 el matemático inglés James Clerk
Maxwell (1831-1879) (figura 3) formuló las cuatros ecuaciones que
sirven de base a la Teoría Electromagnética.
En su “Tratado de Electricidad y Magnetismo” en 1873 hace una
brillante exposición de su teoría electromagnética. Establece que la luz es una
onda y que está constituida por un campo electromagnético y calcula su
velocidad. Sugiere que las ondas electromagnéticas se pueden producir en el
laboratorio.
Fig. 3 J. C. Maxwell.
En
1907 el físico francés Pierre Weiss postuló la existencia de las
“regiones magnéticas” de diámetros que
varían entre 0.001 y 0.1 cm
dentro de los materiales ferromagnéticos como el hierro, níquel y el cobalto,
las cuales intervienen en su magnetización.
3 El imán permanente
Desde
que la piedra imán fue descubierta en la antigüedad, hasta el imán permanente
de la aleación FeNiCo de hoy en día, la humanidad ha mostrado interés por el
magnetismo. Pero estos no son los únicos que existen; a gran escala, la Tierra,
el Sol y las demás estrellas, las nebulosas y las galaxias, son imanes
también. Igualmente, nuestro cuerpo, por efecto de las corrientes eléctricas
que lo surcan, presenta propiedades magnéticas. A nivel microscópico, muchos
átomos presentan propiedades de los imanes. He aquí su importancia. Por tal motivo, en esta
sección estudiaremos las propiedades generales del imán permanente.
3.1 Lista de
materiales
Los
materiales que se necesitan para la realización de estos experimentos son: 1) Una
lámina transparente de plexiglás, acetato, o cualquier material similar. 2)
Limaduras de hierro (desecho de herrería) en un pequeño recipiente con tapa
agujerada del tipo salero de mesa. 3) Imanes rectilíneos o circulares de
corneta del mismo tamaño. 4) Varias brújulas montadas en una base transparente.
5) Un proyector de transparencias. 6) Varias agujas de coser. 7) Un tubo de
diámetro menor al diámetro interno de los imanes. 8) Tres pitillos de
plásticos.
3.2
Descripción del instrumento
Consiste de una lámina de
plástico transparente con cuatro patas de 2 cm de longitud, con un imán
rectilíneo colocado en su lado inferior.
3.3
Uso
Mostrar las líneas del
campo magnético de un imán rectilíneo y la orientación de las brújulas alrededor del mismo.
3.4
Funcionamiento
Se coloca el imán
rectangular debajo de la lámina de plástico y se esparcen las limaduras de
hierro sobre la lámina. También, se colocan varias brújulas alrededor del imán
para observar sus orientaciones en el campo magnético.
A
continuación se describen los experimentos.
a) Propiedades magnéticas de los
materiales
En
general todos los materiales presentan propiedades magnéticas en una u otra
forma. Sin embargo, algunos como el hierro, el níquel y el cobalto presentan
propiedades magnéticas muy marcadas. Con un imán permanente se puede explorar a
groso modo ésta propiedad de los materiales. Para esto, se hace un montón con
objetos pequeños hechos de diferentes materiales y se les acerca un imán
permanente. Se puede observar que algunos son magnéticos porque se pegan al
imán, y otros no demuestran en forma evidente esta propiedad porque no se
adhieren al mismo.
b) Identificación de los polos de un
imán
Se determina
primero mediante el método de la salida y puesta del sol, la ubicación de los
polos norte y sur geográficos. Se cuelga el imán de barra por la mitad con un
hilo delgado y se le permite que gire horizontalmente hasta
que permanezca en reposo en la posición de equilibrio. En estas condiciones, un
extremo apuntará aproximadamente al polo norte y el otro al polo sur. El
extremo que apunte al norte geográfico será el polo norte magnético del imán; el
otro extremo será el sur.
c) Atracción y repulsión entre los
polos de los imanes
Para efectuar esta experiencia se
procede como a continuación se indica. En primer lugar, se cortan los pitillos
en pequeños trozos, con longitudes un poco mayor que el ancho de los imanes y se
colocan sobre la lámina. Se colocan varias varillas de plástico en paralelo que
servirán de rodamiento y encima se montan los imanes con sus polos previamente
identificados, como se nuestra en la figura 4. Se acercan hasta que sus polos
se encuentren frente a frente. Se observará que para cierta distancia se
aprecia una fuerza de atracción entre ellos, como se muestra en la figura 4 A . Al girar 180o
uno de los imanes, se observará que la fuerza ahora es contraria, es decir de repulsión,
como se indica en la figura 4 B. Se puede comprobar lo que es ampliamente
conocido y aceptado: polos iguales se repelen y polos diferentes se
atraen.
En el siguiente video el eminente físico Richard Feyman analiza el por qué de la atracción y repulsión entre imanes permanentes.
Otro montaje interesante para evidenciar la repulsión magnética, se puede lograr con dos imanes en forma de anillo de los que usan las cornetas de sonidos, montados sobre un cilindro de madera o plástico colocado en posición vertical. Para logra esto, se colocan los dos imanes en el cilindro, como se indica en la figura 5, de modo que sus lados más cercanos tengan la misma polaridad. Se observará que el imán superior levita a cierta distancia del imán inferior. En esta posición, el imán superior se encuentra sometido a la acción de dos campos, el gravitacional que actúa con una fuerza hacia abajo, es decir su peso, y el campo magnético del imán inferior que produce la fuerza de repulsión hacia arriba. En la posición de equilibrio, estas dos fuerzas se anulan. Por otra parte, si se acerca con la mano el imán superior al inferior, se manifiesta la fuerza de repulsión entre ellos.
Fig. 5
Repulsión entre imanes.
d) Magnetización de material
Fig. 6
Magnetización de un material.
El magnetismo
es una propiedad inherente al átomo, aunque en la mayor parte de los materiales
los pequeños imanes atómicos conocidos como “dominios magnéticos” se encuentran
orientados al azar y su efecto magnético externo global resulta anulado, como
se indica en la figura 6 A .
Una aguja de acero, hecha de un material altamente ferromagnético, se puede
magnetizar mediante el contacto con un imán permanente. Al someter a la aguja a
un campo magnético intenso con un imán, ocurre una reorientación de tales
regiones a lo largo de su eje longitudinal, generando así la magnetización
permanente de la misma, como se indica en la figura 6B. Al quitar el campo magnético, el material de la
aguja queda magnetizado; de modo que ésta se transforma en un imán permanente también.
En el video PE2 se describen las fuentes del magnetismo.
En el video PE3 se observa la fuente del magnetismo de un material magnético.
En el video PE4 se muestra el procedimiento para magnetizar un material.
e) Visualización del las líneas de inducción
del campo magnético de un imán
En primer lugar, se coloca la lámina
de plástico sobre el proyector de transparencia. Luego, se distribuye uniformemente
las limaduras de hierro sobre la lámina. Las limaduras, por estar hechas de un
material fuertemente ferromagnético (hierro), se magnetizan cuando se
distribuyen alrededor del imán, y se convierten en pequeñísimos imanes, sobre
los que aparecen pares de fuerzas magnéticas atractivas y repulsivas, sobre
cada uno de sus polos. Por otra parte, por efecto del roce con la superficie de
la lámina, sobre las limaduras actúa una fuerza de fricción que les impide
moverse o girar. Bajo éstas circunstancias, la fuerza de roce sobre ellas es
superior a la fuerza magnética y no adoptan ninguna
configuración de campo. Sin embargo, si luego se golpea suavemente la lámina con la mano, se podrá
observar que las limaduras saltan y se redistribuyen adoptando cierta configuración
que permite visualizar el campo magnético en un plano paralelo al imán. Las
limaduras se reorientan porque al saltar, giran por efecto del par de fuerzas
magnéticas que el campo del imán ejerce sobre ellas. En la figura 7 se puede
observar ésta configuración del campo.
Fig. 7 Líneas del campo magnético y orientación de
las brújulas
en éste campo.
En la figura 8 se muestra un diagrama de las líneas del campo
magnético alrededor de un imán permanente en forma de barra rectangular. Se pueden apreciar que las líneas tienen puntas
de flechas que indican su sentido: salen del imán por el polo norte y entran
por el sur. Además, las líneas presentan
otra propiedad: son cerradas; contrario a las líneas de fuerza del campo
eléctrico producido por cargas eléctricas estacionarias.
Fig. 8 Diagrama
de las líneas del campo magnético.
f) Orientación de una brújula en una
línea de campo magnético
Fig. 9 Diagrama de las líneas del campo magnético y
orientación de una brújula en éste campo.
En este caso, se
recomienda utilizar la configuración del campo magnético anterior. Se puede
comprobar que al colocar una brújula cerca del imán, en un determinado punto
tal como se muestra en la fotografía de la figura 7 y en el diagrama de la figura 9, ésta se orienta en dirección
tangente a la línea de inducción; y además, su polo norte apunta siempre en el mismo sentido del campo magnético. Luego, sí se levanta un poco la brújula y se
mueve a lo largo de esa línea, se puede comprobar
que aunque varía su orientación espacial, sin embargo se mantiene la
orientación tangencial respecto a la línea, es decir la brújula siempre es
tangente a la línea. Esto sucede porque la brújula es también un imán, y al
colocarla cerca del imán rectilíneo, su campo ejerce un par de fuerza que la
hace girar hasta que alcanza la posición de equilibrio estable, donde la suma
de las fuerzas es cero y la suma de los momentos magnéticos también es cero.
También, se puede observar que el norte de la brújula apunta al sur del imán, como es de esperar. Esto
permite determinar el sentido de las líneas del campo magnético alrededor
del imán, como se muestra en la figura 9. Sin embargo, en general, estas
conclusiones también se pueden aplicar en cualquier caso para determinar el
sentido de cualquier campo magnético.
g) Orientación de varias brújula en
una línea de campo magnético
Con
este experimento, se puede observar las orientaciones simultáneas de varias
brújulas cuando se colocan alrededor del
imán rectilíneo. Al hacerlo, se comprueba que
todas se orientan en direcciones tangentes a las líneas del campo magnético
con sus polos norte apuntando en el mismo sentido de éstas, como se ilustra en
la figura 10.
Fig. 10 Diagrama
de la orientación de varias brújulas en
el campo magnético.
el campo magnético.
En PE5 se muestra una animación de las líneas de inducción del campo magnético de un imán y las orientaciones de
varias brújulas.
En PE7 se muestra la dependencia del vector inducción magnetica con la distancia al imán permanente.
h) Visualización
del las líneas de inducción del campo magnético con dos imán
Se recomienda repetir lo
descrito en d), e) y f) con dos imanes
rectilíneos colocados de diferentes formas: i) paralelos entre sí con sus polos
contiguos iguales o diferentes y ii) perpendiculares entre sí.
i) División
de un imán permanente en dos
Este
experimento se puede realizar con 10 cm de cinta magnética de la utilizada en
la puerta de las neveras para que se adhieran al marco. Si se corta por la
mitad, se obtienen dos imanes de nuevo. Sí luego se vuelven a cortar, se
vuelven a obtener dos imanes más pequeños. De aquí se puede comprobar que los
polos de los imanes son inseparables. En general no se pueden separar los polos
de los imanes y convertirlos en dos monopolos magnéticos.
En PE6 se muestra una animación donde se discute lo
anterior.
4 El alambre rectilíneo
En esta sección se muestra cómo un alambre rectilíneo con corriente genera un campo magnético a su alrededor. Este evento fue uno de los grandes descubrimientos del siglo XVIII que dio origen al electromagnetismo.
4.1 Lista de materiales
Para la realización
de estos experimentos se requiere de los siguientes materiales: 1) Una lámina
de plástico transparente (plexiglás) o de transparencia. 2) Un metro de alambre
de cobre número 10. 3) Varias brújulas o agujas imantadas montadas
en una base transparente. 4) Una batería de 6 volt. o 12 pilas alcalinas de 1.5
volt. 5) Cables de conexión. 6) Proyector de transparencias.
Consiste de una lámina de
plástico transparente atravesada perpendicularmente por un alambre de cobre
cuyo calibre es el Nro. 10, el cual se conecta a una batería formada por seis
pilas grandes de 1.5 V.
4.3 Uso
Mostrar que al pasar una
corriente eléctrica por un conductor aparece a su alrededor un campo magnético
de líneas circulares cerradas.
4.4 Funcionamiento
Cuando se conecta el
alambre rectilíneo a la batería, alrededor aparece un campo magnético que se
puede visualizar con limaduras de hierro. Para tal fin, las limaduras se
esparcen en forma homogénea alrededor del alambre y sobre la lámina de
plástico.
A
continuación se describen los experimentos.
a)
Experimento de Oersted
Con este experimento se puede
comprobar que una corriente eléctrica circulando por un alambre, produce un
campo magnético que incide en la orientación en una brújula. Para esto, se
coloca una brújula sobre la lámina de plástico cerca del alambre, y se observa
su orientación espacial, la cual es producto del campo magnético terrestre. Al
conectar el alambre rectilíneo a la batería, se observa que la brújula se mueve
y adopta la orientación que se muestra en la figura 11.
Esto se explica de la forma siguiente: la corriente eléctrica que
circula por el alambre genera un campo magnético a su alrededor, la cual actúa
sobre la brújula y produce un par de fuerzas que la obliga a orientarse tangente
a una de las líneas de inducción, donde el momento magnético total es cero y así
puede alcanzar de nuevo el equilibrio mecánico. Posteriormente,
al cambiar el sentido de la corriente que circula por el alambre, se puede
comprobar cómo se modifica el sentido de orientación de la brújula.
Con esto
se puede establecer la “regla de la mano derecha” para determinar el sentido de
las líneas de inducción del campo magnético, conociendo el sentido de
circulación de la corriente eléctrica a través del alambre. Se deja al lector
su revisión en la bibliografía recomendada.
Fig. 11 Diagrama de las líneas del campo magnético y orientación de la brújula.
En PE8 se puede observar
lo descrito con un video.
Para lograr esto, se
esparcen limaduras de hierro sobre la
lámina de plástico alrededor del alambre y se conecta la batería. Se golpea suavemente
varias veces la lámina hasta que las limaduras se reorienten alrededor del
alambre. Después de esto, se puede observar que las limaduras forman líneas
circulares concéntricas que bordean el alambre rectilíneo. Esto permite
visualizar el campo magnético generado por el alambre cuando transporta una
corriente (figuras 12 A
y B).
Fig. 12 Equipo para observar las líneas de campo magnético
alrededor de un conductor rectilíneo (A).Ampliación de
la región central de la figura (B).
En PE9 se pueden observar las líneas de inducción del campo magnético, así como el
vector campo magnético alrededor de un alambre con corriente. También se muestra el vector B en diferentes planos en relación al alambre y cómo obtener el campo resultante producido por dos alambres paralelos en un determinado punto.
c) Orientación de varias brújulas en
una línea de campo magnético
Para esto, sí se colocan
varias brújulas alrededor del alambre con corriente, se nota que se orientan en direcciones
tangentes a las líneas del campo magnético.
Si luego se cambia el sentido de la corriente, se puede observar que las
brújulas rotan y cambian sus sentidos de orientación, es decir sus polos norte
ocupan los lugares que antes ocupaban los polos sur. Tal como se hizo en b) se
puede aplicar “regla de la mano derecha”
para determinar el sentido de las líneas de inducción del campo magnético.
5 La espira circular
A continuación se muestra cómo un doblez en un alambre con
corriente incide en la configuración del campo magnético.
5.1
Lista de materiales
Se requiere de los siguientes
materiales: 1) Una lámina de plástico transparente (plexiglás) o de
transparencia. 2) Un metro de alambre de cobre número 10. 3) Varias brújulas o agujas imantadas
montadas en una base transparente. 4) Una batería de 6 volt o 12 pilas
alcalinas de 1.5 volt. 5) Cables de conexión. 6) Proyector de transparencias.
5.2 Descripción del instrumento
Consiste de una lámina de
plástico transparente atravesada por una espira circular de alambre de cobre
cuyo calibre es el Nro. 10, conectada a una batería formada por seis pilas
grandes de 1.5 V.
5.3 Uso
Mostrar que al pasar una
corriente eléctrica por una espira circular aparece alrededor un campo
magnético.
Cuando se conecta la
espira circular a la batería, aparece un campo magnético que se puede
visualizar con limaduras de hierro. Para tal fin, las limaduras se esparcen sobre
la lámina de plástico en forma homogénea alrededor de la espira y se conecta a
la fuente de voltaje.
A
continuación se describen los experimentos.
a)
Orientación de varias brújulas en
una línea de campo magnético
Se colocan varias brújulas
alrededor de la espira y se observa cómo su orientación espacial, sólo obedece
la acción del campo magnético terrestre. Luego, se conecta la batería y se observa
el movimiento de las brújulas, como se indica en la figura 13. La corriente
eléctrica que circula por la espira produce un campo magnético alrededor.
Debido al campo, sobre las brújulas actúan pares de fuerzas que las obligan a
orientarse en la dirección tangente a las líneas de inducción del campo
producido.
Fig. 13 Diagrama de las líneas del campo magnético en
un anillo.
Luego se cambia el
sentido de la corriente y se observa como las brújulas se reorientan de nuevo. En
PE10 se puede observar lo antes
indicado.
b)
Visualización del las líneas de
inducción del campo magnético
Para lograr visualizar las
líneas del campo magnético, se esparcen sobre la lámina de plástico las
limaduras de hierro alrededor de la espira, y se conecta la batería. Luego, se
golpea con suavidad la lámina hasta que las limaduras se reorienten alrededor
del alambre. Se observa que las limaduras forman líneas alrededor de la espira
generando una configuración que permite detectar la presencia de un campo
magnético, como se indica en la figura 14.
Fig. 14 Campo magnético alrededor de una espira circular.
En PE10 se puede observar la distribución de los vectores campo magnético
alrededor de la espira circular.
6 La bobina rectangular y el toroide
En esta sección se muestra cómo un
solenoide produce un campo magnético similar al de un imán permanente
rectilíneo y cómo visualizar el campo magnético generado por un toroide.
6.1 Lista
de materiales
Se requiere de los siguientes
materiales:
1) Una lámina de plástico (plexiglás) transparente o de
transparencia
2) Un metro de alambre de cobre
número 10
3) Varias brújulas o
agujas imantadas montadas en una base transparente
4) Una batería de 6 volt o
12 pilas alcalinas de 1.5 volt
5)
Cables de conexión
6) Proyector de transparencias
7) Un tornillo grande de
acero o varios clavos de hiero
6.2 Descripción del instrumento
Consiste de una lámina de
plástico transparente atravesada por un alambre de cobre esmaltado de calibre
Nro. 10 en forma de bobina rectangular, conectada a una batería formada por
seis pilas grandes de 1.5 V, tal como se muestra en la figura 15. El toroide se monta en una lámina semejante, como se puede observar en la figura 16.
6.3 Uso
Mostrar que al pasar una
corriente eléctrica por una bobina rectangular o un toroide aparece, por fuera
y en su interior, un campo magnético.
6.4 Funcionamiento
Cuando se conecta la
bobina rectangular o el toroide a la batería, en su interior y exterior aparece
un campo magnético el cual se puede visualizar con limaduras de hierro. Para
tal fin, las limaduras se esparcen sobre la lámina de plástico en forma
homogénea dentro y fuera de la bobina o
el toroide.
A
continuación se describen los experimentos.
a)
Orientación de varias brújulas en
una línea de campo magnético
Fig 15
Diagrama de las líneas del campo magnético y
orientación
de las brújulas.
Para realizar esta
experiencia se procede como a continuación se describe. Se colocan varias
brújulas dentro y fuera del solenoide y se observa sus orientaciones. Se conecta la batería y se observa como se
mueven las brújulas. Esto indica que la corriente eléctrica que circula por el
alambre produce un campo magnético alrededor, como se mencionó anteriormente.
Debido al campo, sobre cada brújula actúa un par de fuerzas que la obliga a
orientarse tangente a la línea de campo magnético que pase por el punto donde
se encuentra ubicada; las que se encuentran a lo largo del eje longitudinal de
la bobina adoptan esa misma dirección, las otras se orientan siguiendo las
líneas curvadas de campo magnético. Finalmente, se cambia el sentido de la corriente que pasa por el
alambre y se observa como cambia la orientación de cada brújula (figuras 15 y video PE11).
b)
Visualización del las líneas de
inducción del campo magnético
Para poder efectuar esta
parte del experimento, en primer lugar se esparcen las limaduras de hierro
sobre la lámina de plástico, alrededor de las espiras del solenoide, y se
conecta la batería. Luego, se golpea ligeramente la lámina hasta que las limaduras
se reorienten alrededor de la bobina. Se debería observar, tal como se muestra
en la Figura 16, que las limaduras forman líneas alrededor de la espira
permitiendo visualizar el campo magnético que produce. Por la forma de la
configuración del campo magnético, similar al producido por un imán
rectilíneo, se puede concluir que la
bobina con corriente se comporta como un imán permanente y por consiguiente
debería de tener dos polos como aquel.
Para comprobar esta afirmación, se acerca una brújula a uno de los
extremos de la bobina. El extremo de la bobina que atraiga al polo norte del
imán, es su polo sur; el otro, por
supuesto, es su polo norte.
Fig. 16 La bobina rectangular.
Se puede
repetir lo anterior con el toroide (figura 17) para observar la estructura del
campo magnético, así como la orientación de las brújulas en su interior y exterior.
Fig. 17
El toroide.
En PE11 se puede observar lo antes
indicado, así como la distribución de los vectores campo magnético alrededor de
la espira circular.
7 Fuerza magnética sobre un alambre con
corriente
Se describe el efecto de colocar un
alambre que conduce corriente eléctrica en el campo magnético generado por
un imán permanente.
7.1 Lista
de materiales
Se requiere de los siguientes
materiales:
1) Una base de madera o de plástico transparente
2) Un metro de
alambre de cobre número 8 y un metro del
Nro. 14
3) Una batería de 12 volt de carro o una fuente con 2 Ampere de salida
4)
Cables de conexión
5) Escobillas de grafito de motor o generador eléctrico
6)
Un imán permanente en forma de herradura o anillo
7.2 Descripción del instrumento
Consiste de una base de
madera o de plástico con dos rieles de alambre de cobre conductor fijos en la
base y un alambre móvil de cobre. El imán se coloca cerca del alambre móvil.
Los rieles se conectan a la batería.
7.3 Uso
Mostrar que al introducir
un alambre con corriente dentro del campo magnético de un imán permanente,
sobre éste actúa una fuerza magnética.
7.4 Funcionamiento
Se introduce el alambre en
el imán y se le conecta a la batería. Si la corriente es de alrededor de 2 Amperios, sobre el alambre actúa una fuerza aproximadamente perpendicular a las
líneas de inducción del campo magnético y cuyo sentido dependerá del sentido que lleve
la corriente.
A
continuación se describen los experimentos.
Con este montaje se puede
apreciar el efecto de un campo magnético sobre un alambre con corriente. A tal
efecto, se coloca el alambre rectilíneo sobre los rieles, se acerca el imán
como se indica en la Figura 18, y se conecta la fuente de voltaje. Se observará
que el alambre se mueve hacia la batería, porque en éste sentido actúa la
fuerza magnética si la corriente va en el sentido indicado en el diagrama, cómo
se puede comprobar mediante la aplicación de la regla de la mano derecha del
producto vectorial. También se puede comprobar que a medida
que la intensidad de la
corriente que se le aplica al alambre es mayor, la velocidad del alambre
aumenta; lo cual indica un aumento de la fuerza magnética.
Para
poder observar que el alambre se mueve, se requiere de una corriente de al
menos 5 amperios; así que éste experimento se debe hacer como el máximo cuidado
para evitar accidentes. Tiene la desventaja de que el alambre se funde donde
hace contacto con los rieles, a medida que rueda. Sin embargo, si se lija se
puede proseguir con el experimento.
Fig. 18
Arreglo experimental para observar la fuerza
magnética
sobre un alambre con corriente.
En la figura 19 se
muestra otro montaje experimental para comprobar lo anterior, el cual tiene una
ventaja sobre el de la figura 18, ya que con una corriente pequeña (alrededor
de 2 A ) se
puede observar que el alambre se mueve. Se recomienda hacer el columpio con
alambre de un calibre más pequeño (Nro. 14 o menos) para disminuir su peso y
montarlo sobre bujes de grafito de los que usan las escobillas de los motores y
generadores eléctricos, para evitar que sus extremos se fundan por el paso de la
corriente.
Fig. 19
Otro arreglo experimental para observar la
fuerza magnético sobre un alambre con corriente.
fuerza magnético sobre un alambre con corriente.
En el video PE12 se muestran animaciones de la acción de un campo magnético sobre un alambre
con corriente.
8 Atracción y repulsión entre alambres
con corriente
8.1 Lista
de materiales
Se requiere de los siguientes
materiales:
1) Una base de madera o de plástico transparente
2) Un metro de
alambre de cobre número 8 y un metro del
Nro. 14
3) Una batería de 12 volt
4)
Cables de conexión
5) Escobillas de grafito de motor o generador eléctrico
8.2 Descripción del instrumento
Consiste de una base de
madera o de plástico con dos columpios de alambre de cobre conductor Nro. 14
montados en un soporte en forma de L, como se muestra en la figura 20, y
conectados a una batería o fuente de voltaje que le suministra la corriente
requerida.
8.3 Uso
Mostrar que dos alambres
con corrientes eléctricas se atraen o repelen.
8.4 Funcionamiento
Se conectan los alambres a
la fuente de voltaje. Si la corriente es de alrededor de 2 A se puede observar
que sobre los alambres del columpio actúan fuerzas magnéticas que los separan o
los acercan entre sí.
A
continuación se describen los experimentos.
Fig. 20
Arreglo experimental para observar la fuerza de
atracción y repulsión entre alambres con corriente fuerza.
atracción y repulsión entre alambres con corriente fuerza.
Con este montaje se puede
apreciar el efecto de atracción y repulsión entre dos alambres que conducen
corrientes eléctricas. En primer lugar se observa que los columpios cuelgan
verticalmente por efecto de sus propios pesos. Pero al conectar la fuente de
voltaje, se separan o se atraen por efecto de la fuerza magnética, cuya magnitud será mayor, mientras mayor sea la
intensidad de la corriente. Esto último se puede comprobar si se dispone de un
reóstato que permita regular la intensidad de la corriente (figura 20).
En los videos PE13 y PE14 se muestra, paso a paso, cómo cada alambre con corrientes eléctricas produce un campo magnético, así como las fuerzas de repulsión o atracción entre ellos.
9 Momento de torsión sobre una espira
con corriente
En la sección 7 se hizo una descripción de la fuerza
magnética sobre un alambre con corriente; en esta se presentan algunos
experimentos sobre el momento magnético sobre una bobina con corriente. Se
sugiere realizar previamente esta experiencia antes de abocarse al montaje del
motor eléctrico.
9.1 Lista
de materiales
Para la realización de esta
experiencia se requiere de los siguientes materiales:
1) Una lámina de madera o plástico (plexiglás)
2) Cinco metros de alambre de cobre esmaltado calibre número 18
y un metro del Nro. 14
3) Dos pilas alcalinas de 1.5 volt
4) Cables de conexión
5) Un imán permanente de corneta
6) Un interruptor
1) Una lámina de madera o plástico (plexiglás)
2) Cinco metros de alambre de cobre esmaltado calibre número 18
y un
3) Dos pilas alcalinas de 1.5 volt
4) Cables de conexión
5) Un imán permanente de corneta
6) Un interruptor
9.2 Descripción del
instrumento
Consiste de una bobina circular de
aproximadamente 5 cm
de diámetro, hecha de unas 30 vueltas de alambre de cobre esmaltado Nro. 18 y
montada en dos soportes de alambre de cobre de calibre Nro. 14. Se dejan unos 5 cm en cada extremo del
alambre por fuera de la bobina. Con lija o con el filo de un “exacto”, se le quita
completamente el esmalte a los dos extremos del alambre de la bobina. De esta
manera, los extremos de la bobina hacen las veces de eje de suspensión, y se
monta sobre el doblez descubierto (sin esmalte) de una base de alambre, también
esmaltado. Debajo de la bobina se coloca un imán permanente en forma de aro de
igual o mayor diámetro. La bobina se conecta a la batería o a dos pilas grandes
de 1.5 V.
La bobina requiere de cierto balanceo previo
antes de montarla en el soporte. Así que, es
necesario asegurarse de que su eje de suspensión quede lo más rectilíneo
que se pueda y en dirección diametral, para garantizar que permanezca en
posición de equilibrio indiferente al colocarla en su soporte. Para
comprobarlo, se gira un poco la bobina; si mantiene esa posición, se encuentra
en el equilibrio señalado. Si no es así, se dobla un poquito los alambres del
eje o se le coloca un pequeño contrapeso
con cinta adhesiva hasta lograr el ajuste adecuado.
Fig. 21 Diagrama del montaje de la bobina circular.
En la figura 21 se presenta un
diagrama de un montaje alternativo para la bobina circular.
9.3 Uso
Comprobar
que aparece un momento magnético de torsión sobre una bobina con corriente colocada
cerca de un imán.
9.4 Funcionamiento
El campo magnético se
establece mediante el imán anular y la corriente se le suministra a la bobina a
través de una batería. Sin corriente, la bobina previamente balanceada, se
mantiene en equilibrio indiferente, es decir no adopta una orientación
preferencial. Al conectar la batería, la bobina gira hasta adoptar su posición
de equilibrio.
A continuación se
describen algunos experimentos que se pueden realizar con esta bobina.
a)
Comprobar
que aparece un momento de torsión sobre una bobina con corriente dentro de un
campo magnético
Con este montaje se puede apreciar el
efecto de un campo magnético sobre una bobina circular con corriente. Para
efectuar esta experiencia, se requiere que en primer lugar se identifique la
polaridad del imán anular por medio del método propuesto en la sección 3,
correspondiente al imán permanente, y que se conozca cómo es la configuración
de su campo magnético, con las limaduras de hierro. De esta forma se conoce la
dirección y el sentido del campo magnético alrededor del imán. En segundo
lugar, que se haya determinado el sentido del enrollamiento del alambre en la
bobina, para poder determinar el sentido de circulación de la corriente eléctrica
por la misma. Hecho esto, se coloca la bobina en su soporte y se le hace el
balanceo correspondiente para lograr que permanezca en equilibrio indiferente.
En esta condición, la suma de las fuerzas sobre la bobina es cero y el momento sobre la misma es nulo (cero); si la bobina no
se encuentra balanceada, el momento efectuado por su propio peso la obliga a
girar hasta adoptar una orientación preferencial donde el momento de nuevo es
nulo, lo cual no es conveniente. Posteriormente, al conectar el motor a la
batería, se observa que actúa un momento magnético sobre la bobina que la hace
girar hasta cierta posición donde de nuevo se pone en equilibrio debido a que
el momento total se hace cero. Sí luego se aplica una fuerza a la bobina con la mano
e inmediatamente se suelta, se saca del equilibrio; pero rápidamente regresa a
esa posición. Se puede comprobar que en esa posición, el plano de la bobina es
aproximadamente perpendicular a la dirección del campo magnético producido por
el imán. Al cambiar el sentido de la corriente mediante la inversión de los cables
en la batería, se observa que al repetir lo descrito anteriormente, la bobina
adopta la misma posición de equilibrio, pero ha girado 180o. Luego,
se retira el imán de la base y se coloca en posición vertical cerca de la bobina;
se puede comprobar que cambia también la orientación de la bobina: adopta
también la posición vertical, es decir
de nuevo su plano es perpendicular al campo magnético. En base a estas
conclusiones, se puede establecer que τ = μ x B , donde τ es el momento
magnético sobre la espira, μ es el momento dipolar
magnético de la espira y B el campo magnético
externo. Se sugiere al lector interesado ampliar sus conocimientos teóricos con
las referencias citadas.
PE15 es un video con animaciones
del momento magnético sobre una espira rectangular producto de un par de fuerzas magnéticas.
b)
Prototipo
de motor elemental
Para
efectuar el siguiente experimento se requiere que la bobina se encuentre
conectada a la fuente de voltaje. Se cierra y abre el circuito con el
interruptor y se observa si la bobina gira. Se repite esto periódicamente hasta
lograr que gire continuamente. Al conectar y desconectar la corriente, se está
incorporando al dispositivo un conmutador manual, para lograr que la bobina
gire en forma continua. En la próxima sección se describe un motor más
elaborado.
En la figura 22 se muestra una fotografía de un modelo simplificado de un motor eléctrico con todos sus componentes.
10 El motor eléctrico
Desde su invento por Faraday
hasta nuestros días, el motor eléctrico ha sentado pauta en todos los quehaceres de la actividad
industrial así como en las actividades de nuestro hogar, donde su presencia se
manifiesta en múltiples aparatos, como los indispensables electrodomésticos. Su
funcionamiento esta basado en los principios fundamentales del
electromagnetismo, como a continuación se describe.
10.1 Lista
de materiales
Para la realización de esta
experiencia se requiere de los siguientes materiales: 1) Una lámina de madera o
plástico (plexiglás). 2) Cinco metros de alambre de cobre esmaltado
calibre número 18 y 1 metro del Nro. 14. 3) Dos pilas alcalinas de 1.5 volt. 4) Cables de conexión. 5) Un imán permanente
de corneta. 6) Un interruptor.
10.2 Descripción del
instrumento
Consiste de una bobina circular de
aproximadamente de 5 cm de diámetro,
hecha de unas 30 vueltas de alambre de cobre esmaltado Nro. 18 y montada en dos
soportes de alambre de cobre de calibre Nro. 14. Se dejan unos 5 cm en cada extremo del alambre
por fuera de la bobina. Con lija o el filo de un “exacto”, se le quita
completamente el esmalte a uno de los extremos del alambre de la bobina y al
otro extremo se le quita sólo la mitad, longitudinalmente. El extremo semidescubierto
hace las veces de conmutador y sirve para conectar y desconectar automáticamente
la bobina de la batería a medida que
gira. A su vez, los extremos de la bobina hacen las veces de eje de suspensión,
y se monta sobre el doblez descubierto (sin esmalte) de una base de alambre,
también esmaltado. Debajo de la bobina se coloca un imán permanente en forma de
aro de igual o mayor diámetro. La bobina se conecta a dos pilas grandes de 1.5 V.
Como en la
sección anterior, la bobina requiere de cierto balanceo previo antes de
montarla en el soporte. Se recomienda
seguir esas sugerencias.
Fig. 22
El motor eléctrico y sus partes.
10.3 Uso
Mostrar el principio de funcionamiento de un
motor elemental de corriente continua, es decir, comprobar que al hacer pasar
una corriente eléctrica por una bobina colocada en un campo magnético producido
por un imán, la misma se pone a girar.
10.4 Funcionamiento
El campo magnético se
establece mediante el imán anular y la corriente se le suministra a la bobina a
través de una batería; se conecta y desconecta con un conmutador colocado en
uno de los extremos del alambre. Sin corriente, la bobina se mantiene en
equilibrio indiferente, es decir no adopta una orientación preferencial. Al
conectar la batería, pasa corriente si la parte descubierta del conmutador hace
contacto con su soporte inferior; y no pasa, si es la parte esmaltada la que se
encuentra en contacto (figura 23). Es necesario arrancar la bobina dándole un
pequeño impulso con la mano.
Este
motor funciona de modo análogo al columpio del parque de diversiones, que
mediante impulsos, dados en el momento adecuado, logra oscilar con gran
amplitud. Así, durante la mitad del tiempo (medio ciclo) que tarda en dar una
vuelta, pasa corriente por la bobina al hacer contacto la parte descubierta del
conmutador y aparece un momento que la
obliga a girar en un determinado sentido; pero durante el medio ciclo siguiente,
aunque no le pasa corriente, continúa girando debido a la inercia rotacional.
Luego de esto, se repite el ciclo y el resultado es que la bobina rota mientras
esté conectada o desconectada a la batería.
Fig. 23
Arreglo experimental y componentes de motor eléctrico.
A continuación se
describen algunos experimentos que se pueden realizar con este motor.
a) Se retira el imán de la base y con la mano,
se coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina, y se observa en cual
posición gira más rapidez o más lento.
b) Se cambia el sentido de la corriente que
circula por la bobina y se observa el cambio en el sentido de rotación de la
bobina del motor.
10.5 Otros modelos
A
continuación se describe otro interesante prototipo de motor eléctrico. Se
conoce como motor homopolar porque el campo magnético mantiene su polaridad en
el espacio e interviene sólo uno de los polos magnéticos en la rotación. Es de
fácil construcción; se requiere un imán cilíndrico de
neodimio-hierro-boro, alambre de cobre Nro.
12 y una pila AA de 1,5 V. Con el alambre de cobre se hace la espira
rectangular, la cual se coloca sobre la pila como indica la figura 24; su
doblez en forma de V se monta sobre el borne positivo de la pila y sus extremos
doblados en arco se ajustan de modo que hagan contacto con la superficie del
imán. De esta manera la corriente eléctrica circula por ambos lados de la
espira, entra por el polo sur del imán y llega de nuevo a la pila. Como la
espira con corriente eléctrica se encuentra dentro del campo magnético del
imán, aparece una fuerza magnética F sobre cada uno de los lados de la espira e
igualmente un par de fuerza, que la hace girar. Al cambiar la orientación del
imán o la pila, cambia el sentido de giro.
Fig. 24 Motor homopolar con sus componentes.
Otro modelo de motor
homopolar consiste de una espira helicoidal, montada sobre el borne positivo de
la pila AA; al borne negativo se le coloca el imán, al cual se adhiere por la
atracción magnética sobre el metal, como se muestra en la figura 25. La espira
helicoidal es la que gira en este caso. Funciona igual que antes; la fuerza magnética
sobre ella es la responsable de su giro.
Fig. 25
Motor homopolar con espira helicoidal.
Fig. 26 Motor
homopolar con imán de rotor.
Por otra parte, también se puede hacer el montaje que se
muestra en la figura 26, donde el imán es el cuerpo que gira. En el interior
del imán el campo magnético tiene dirección longitudinal y sentido sur-norte. Cuando el extremo inferior
doblado de la espira hace contacto con el imán, circula una corriente eléctrica
por su parte interna. Así que de nuevo, una corriente eléctrica circulando
dentro de la región de un campo magnético, estará sometida a la acción de una
fuerza eléctrica y en consecuencia, actúa un torque que hace girar el
imán.
11 La inducción electromagnética
La inducción electromagnética es el
principio fundamental de generación de electricidad a partir de la introducción
de cambios en el campo magnético y/o en
las condiciones (orientación y tamaño) de
una bobina inmersa en dicho campo.
11.1 Lista
de materiales
Para la realización de esta
experiencia se necesitan los siguientes materiales: 1) 10 metros de alambre de
cobre delgado número 25 3) Un galvanómetro. 4) Cables de conexión. 5) Un imán
rectangular.
11.2 Descripción del instrumento
El componente principal de
este equipo es la bobina de 50 o más vueltas fabricada con el alambre de cobre número 25, y de un
diámetro un poco mayor que la del ancho del imán rectangular. Para construirla
se enrolla con mucho cuidado el alambre sobre un tubo de cartón o plástico y se
indica en una etiqueta el sentido de enrollamiento.
Otra alternativa, es
construirla en forma de anillo de un diámetro adecuado para que entre con
holgura el imán. La bobina se conecta al galvanómetro.
11.3 Uso
Mostrar que al introducir
el imán en la bobina se induce una corriente eléctrica.
11.4 Funcionamiento
Se conecta los dos
extremos de los alambres de la bobina al galvanómetro. Al introducir y sacar el imán de la bobina se
observa que el galvanómetro registra el paso de una corriente eléctrica.
A
continuación se describen los experimentos a realizar.
a)
Comprobar
que se induce una corriente eléctrica
Fig. 27 Arreglo
experimental para observar la inducción electromagnética.
Se comienza con la conexión de la
bobina a la fuente de voltaje. Luego se
acerca el imán a la bobina a lo largo de su eje longitudinal hasta que se
introduce en ella y se detiene, tal como se ilustra en el diagrama de la figura
27. Sí el movimiento es lo suficiente rápido, se debería observar que la aguja
del galvanómetro registra el paso de una corriente eléctrica mientras el imán
se mueve, y luego la aguja vuelve a cero cuando el imán se detiene. También se
debería notar que al sacar la bobina, la aguja del galvanómetro gira en sentido
contrario al anterior. Sí esto se repite periódicamente se puede lograr que la
aguja gire en ambos sentidos mientras el imán se acerca y se aleja de la
bobina. De esta manera se logra que aparezca una corriente inducida en la
bobina.
b)
Comprobar
que la intensidad de la corriente inducida depende de la rapidez del imán.
Para esto, primero se
mueve lentamente el imán y luego muy rápido. Al hacerlo, se puede observar que
la intensidad de la corriente que registra el galvanómetro es de poca
intensidad cuando el movimiento del imán es lento, y más intensa cuando el
movimiento es rápido. Esto permite concluir que la intensidad de la corriente
inducida es directamente proporcional al cambio temporal introducido en la
rapidez del imán, el cual a su vez incide en el cambio temporal del flujo
magnético a través del área delimitada por la bobina.
c)
Determinar
el sentido de la corriente inducida: Regla de Lenz
En
esta experiencia es conveniente tener en cuenta lo siguiente. El sentido de
la corriente inducida dependerá de sí
es el polo norte o el sur el que está más cerca de la bobina cuando el imán se
mueve; también, de cómo se encuentre enrollado el alambre en la bobina, si es
en sentido horario o antihorario y de cómo se encuentre conectado el
galvanómetro a los extremos de la bobina. Por lo tanto, es necesario previamente
determinar hacia dónde se mueve la aguja del galvanómetro cuando por éste
circula corriente. Una forma, es darle al galvanómetro un pulso de corriente con
una pila de 1.5 V; para esto, primero se conecta con un cable el borne negativo
de la pila con el terminal negativo del galvanómetro y el otro cable se conecta
al terminar positivo del galvanómetro sin conectarlo a la batería.
Posteriormente, se toca muy rápido, con el extremo suelto de este último cable
el borne libre del galvanómetro a fin de cerrar momentáneamente el circuito. Como
la corriente circula desde el borne positivo de la batería hacia el negativo,
al entrar un pulso de corriente al galvanómetro por el terminal positivo, su
aguja debería de girar a la derecha. De
este modo se puede conocer hacia donde se mueve la aguja al entrar la
corriente.
Sí la conexión es la que
se muestra en la figura 27, al acercar el polo norte del imán aparece una
corriente en sentido antihorario. Esto se debe a lo siguiente: a medida que el
imán se acerca a la bobina, la intensidad del campo magnético aumenta en el
plano de la misma; este cambio origina la inducción de una corriente eléctrica
que debe circular en ese sentido, para que genere a su vez un campo magnético
en sentido contrario al campo del imán y pueda existir oposición al cambio de
flujo magnético. Por el contrario, si el imán se aleja, la corriente inducida
circula en sentido horario.
Se deja
al lector explorar lo que sucedería si, en vez de acercar el polo norte del
imán, se acerca el sur.
De estas
conclusiones obtenidas en forma experimental, se puede establecer que la
intensidad de la corriente inducida I es
donde N es el número de
espiras de la bobina, R su
resistencia eléctrica y dφ/dt es el cambio temporal del flujo
magnético. Esta relación se conoce como ley de Faraday y es una de las leyes del electromagnetismo.
El video PE16 muestran varias animaciones sobre el flujo magnético. En los que siguen se discuten conceptos relacionados con la inducción electromagnética.
Finalizamos este libro con otro video de Feyman.
Sobran los comentarios!
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