OBJETIVOS General: Determinar experimental y teóricamente el valor del voltaje inducido de una bobina secundaria en un transformador.
Específico: Utilizar adecuadamente los instrumentos como los solenoides, focos, cables y distintos instrumentos eléctricos. Verifica erificarr la generaci generación ón de fuerza fuerza electrom electromotriz otriz alterna senoidal senoidal causada causada por variación de corriente. Establecer Establecer la ley de inducción de araday, incluyendo incluyendo el principio de !enz. "ompr ompren ende derr el prin princi cipi pio o ferromagnético.
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INTRODUCCIÓN
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El transformador se basa en dos principios$ primero, %ue una corriente eléctrica puede producir un campo magnético y segundo %ue un campo magnético variable dentro de una bobina de alambre induce un voltaje a través de los extremos de la bobina. "ambio de la corriente en la bobina primaria cambia el flujo magnético %ue se desarrolla. El flujo magnético variable induce una tensión en la bobina secundaria. !as bobinas primaria y secundaria est&n envueltos alrededor de un n#cleo de permeabilidad magnética muy alta, por lo general de 'ierro, de modo %ue la mayor parte del flujo magnético pasa a través de ambas las bobinas primaria y secundaria. "ual%uier secundaria carga conectada bobinado provoca inducción de corriente y el voltaje del primario al circuito secundario en las direcciones indicadas. (or medio de la pr&ctica realizada se pretende evidenciar como es %ue trabaja un transformador y convierte la energ)a alterna en directa. *dem&s de 'acer referencia de los trabajos de araday y de otros grandes f)sicos y a %uienes 'oy les debemos muc'as de las comodidades domésticas, industriales, tecnológicas, entre otras. *dem&s el experimento permitir& %ue los temas vistos en la teor)a tengan significado al aplicarlos en la realidad, como por ejemplo ver como funciona un solenoide y la referencia %ue tiene con respecto al n#mero de vueltas %ue posee, la inducción a través de un metal, la transformación de corriente.
MARCO TEÓRICO
A INDUCCIÓN EECTROMAGN!TICA !a inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. El descubrimiento por araday y +enry de este fenómeno introdujo una cierta simetr)a en el mundo del electromagnetismo. ax-ell consiguió reunir en una sola teor)a los conocimientos b&sicos sobre la electricidad y el magnetismo. u teor)a electromagnética predijo, antes de ser observadas experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas. +ertz comprobó su existencia e inició para la 'uman idad la era de las telecomunicaciones. El descubrimiento, debido a /ersted, de %ue una corriente eléctrica produce un campo magnético estimuló la imaginación de los f)sicos de la época y multiplicó el n#mero de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la electricidad y el magnetismo. En ese ambiente cient)fico pronto surgir)a la idea inversa de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. *lgunos f)sicos famosos y otros menos conocidos estuvieron cerca de demostrar experimentalmente %ue también la naturaleza apostaba por tan atractiva idea. (ero fue araday el primero en precisar en %ué condiciones pod)a ser observado semejante fenómeno. * las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos araday las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética. !a inducción electromagnética constituye una pieza destacada en ese sistema de relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo %ue se conoce con el nombre de electromagnetismo. (ero, adem&s, se 'an desarrollado un sin n#mero de aplicaciones pr&cticas de este fenómeno f)sico. El transformador %ue se emplea para conectar una calculadora a la red, la dinamo de una bicicleta o el alternador de una gran central 'idroeléctrica son sólo algunos ejemplos %ue muestran la deuda %ue la sociedad actual tiene contra)da con ese modesto encuadernador convertido, m&s tarde, en f )sico experimental %ue fue ic'ael araday.
AS E"#ERIENCIAS DE $ARADA% !as experiencias %ue llevaron a araday al descubrimiento de la inducción electromagnética pueden ser agrupadas en dos categor)as$ experiencias con corrientes y experiencias con imanes. En primer lugar preparó dos solenoides, uno arrollado sobre el otro, pero aislados eléctricamente entre s). Uno de ellos lo conectó a una pila y el otro a un galvanómetro y observó cómo cuando accionaba el interruptor del primer circuito la aguja del galvanómetro del segundo circuito se desplazaba, volviendo a cero tras unos instantes. ólo al abrir y al cerrar el interruptor el galvanómetro detectaba el paso de una corriente %ue desaparec)a con el tiempo. *dem&s, la aguja se desplazaba en sentidos opuestos en uno y otro caso. En el segundo grupo de experiencias araday utilizó un im&n recto y una bobina conectada a un galvanómetro. *l introducir bruscamente el im&n en la bobina observó una desviación en la aguja, desviación %ue desaparec)a si el im&n permanec)a inmóvil en el interior de la bobina. "uando el im&n era retirado la aguja del galvanómetro se desplazaba de nuevo, pero esta vez en sentido contrario. "uando repet)a todo el proceso completo la aguja oscilaba de uno a otro lado y su desplazamiento era tanto mayor cuanto m&s r&pido era el movimiento del im&n entrando y saliendo en el interior de la bobina. !o mismo suced)a cuando manten)a %uieto el im&n y mov)a la bobina sobre él. !a representación del campo magnético en forma de l)neas de fuerza permitió a araday encontrar una explicación intuitiva para este tipo de fenómenos. (ara %ue se produjera una corriente inducida en la bobina era necesario %ue las l)neas de fuerza producidas por el im&n fueran cortadas por el 'ilo conductor de la bobina como consecuencia del movimiento de uno u
otro cuerpo. En el primer grupo de experiencias, las l)neas de fuerza, al aparecer y desaparecer junto con la corriente debida a la pila, produc)an el mismo tipo de efectos. !as experiencias anteriores a las de araday, al no tener en cuenta los aspectos din&micos, o de cambio con el tiempo, de esta clase de fenómenos, no pudieron detectar este tipo de corrientes %ue aparecen en un circuito eléctrico sin %ue exista dentro del propio circuito ninguna pila %ue las genere.
A NOCIÓN DE $UJO MAGN!TICO !a representación de la influencia magnética de un im&n o de una corriente eléctrica en el espacio %ue les rodea mediante l)neas de fuerza fue ideada por araday y aplicada en la interpretación de la mayor parte de sus experimentos sobre electromagnetismo. ediante este tipo de im&genes araday compensaba su escasa preparación matem&tica, apoy&ndose as) su enorme 'abilidad gr&fica y su no inferior intuición cient)fica. !a noción de flujo magnético recoge esa tradición iniciada por araday de representar los campos mediante l)neas de fuerza, pero a0ade, adem&s, un significado matem&tico. "uando se observa, con la ayuda de limaduras de 'ierro, el campo magnético creado por un im&n recto, se aprecia %ue, en los polos, las l)neas de fuerza est&n m&s próximas y %ue se separan al alejarse de ellos. Dado %ue la intensidad del campo magnético B disminuye con la distancia a los polos, parece razonable relacionar ambos 'ec'os y establecer por convenio una proporcionalidad directa entre la intensidad del campo B y la cantidad de l)neas de fuerza %ue atraviesan una superficie de referencia unidad. "uanto m&s apretadas est&n las l)neas en una región, tanto m&s intenso es el campo en dic'a región. El n#mero de l)neas de fuerza del campo B %ue atraviesa una superficie unidad depende de cómo esté orientada tal superficie con respectó a la dirección de a%uéllas. *s), para un conjunto de l)neas de fuerza dado, el n#mero de puntos de intersección o de corte con la superficie unidad ser& m&ximo para una orientación perpendicular y nulo para una orientación paralela. El n#mero de l)neas de fuerza del campo B %ue atraviesa perpendicularmente una superficie constituye entonces una forma de expresar el valor de la intensidad de dic'o campo. e define el flujo del campo magnético B a través de una superficie, y se representa por la letra griega φ, como el n#mero total de l)neas de fuerza %ue atraviesan tal superficie. En términos matem&ticos, para un campo magnético constante y una superficie plana de &rea S, el flujo magnético se expresa en la forma$ φ = B · S · cos
123.24
siendo el &ngulo %ue forman las l)neas de fuerza 1el vector B4 con la perpendicular a la superficie. Dic'a ecuación recoge, mediante el cos , el 'ec'o de %ue el flujo var)e con la orientación de la superficie respecto del campo B y también %ue su valor dependa del &rea S de la superficie atravesada. (ara 5 67 1intersección perpendicular4 el flujo es m&ximo e igual a B · S8 para 5 967 1intersección paralela4 el flujo es nulo. !a idea de flujo se corresponde entonces con la de :cantidad; de campo magnético %ue atraviesa una superficie determinada. En el istema
A E% DE $ARADA%&'ENR% osep' +enry, en los Estados Unidos, 'ab)a observado %ue un campo magnético variable produce en un circuito próximo una corriente eléctrica. !os
resultados concordantes de las experiencias de ambos f)sicos pueden resumirse en un enunciado %ue se conoce como ley de araday?+enry$ !a fuerza electromotriz inducida en un circuito es proporcional a la rapidez con la %ue var)a el flujo magnético %ue lo atraviesa. / en forma matem&tica$
siendo ε la fuerza electromotriz inducida y ∆φ la variación de flujo magnético %ue se produce en el intervalo de tiempo ∆t . De acuerdo con esta ecuación, la magnitud de f.e.m . inducida coincide con lo %ue var)a el flujo magnético por unidad de tiempo. !a presencia de la fuerza electromotriz ε en la ley de araday?+enry en lugar de la intensidad de corriente 1ambas son proporcionales entre s)4, resalta una caracter)stica de la inducción, a saber, su capacidad para sustituir a un generador, es decir, para producir los mismos efectos %ue éste en un circuito eléctrico. (or su parte, el signo negativo recoge el 'ec'o, obser,vado experimentalmente por araday y +enry, de %ue aumentos 1∆φ @ 64 y disminuciones 1 ∆φ A 64 de flujo magnético producen corrientes inducidas de sentidos opuestos. i no 'ay variación con el tiempo del flujo magnético %ue atraviesa un circuito, el fenómeno de la inducción electromagnética no se presenta. Bal circunstancia explica los fracasos de a%uellos f)sicos contempor&neos de araday %ue pretendieron conseguir corrientes inducidas en situaciones est&ticas, o de reposo, del circuito respecto del im&n o viceversa. "uando la ley de araday?+enry se aplica a una bobina formada por N espiras iguales toma la forma
para una soloa espira en la bobina.
El sen(i)o )e las corrien(es in)*ci)as *un%ue la ley de araday?+enry, a través de su signo negativo, establece una diferencia entre las corrientes inducidas por un aumento del flujo magnético y las %ue resultan de una disminución de dic'a magnitud, no explica este fenómeno. !enz 1296C?294, un f)sico alem&n %ue investigó el electromagnetismo en Fusia al mismo tiempo %ue araday y +enry, propuso la siguiente explicación del sentido de circulación de las corrientes inducidas %ue se conoce como ley de Lenz !as corrientes %ue se inducen en un circuito se producen en un sentido tal %ue con sus efectos magnéticos tienden a oponerse a la causa %ue las originó. *s), cuando el polo norte de un im&n se aproxima a una espira, la corriente inducida circular& en un sentido tal %ue la cara enfrentada al polo norte del im&n sea también Gorte, con lo %ue ejercer& una acción magnética repulsiva sobre el im&n, la cual es preciso vencer para %ue se siga manteniendo el fenómeno de la inducción.
!a ley de !enz, %ue explica el sentido de las corrientes inducidas, puede ser a su vez explicada por un principio m&s general, el principio de la conser!ación de la energ"a. !a producción de una corriente eléctrica re%uiere un consumo de energ)a y la acción de una fuerza desplazando su punto de aplicación supone la realización de un trabajo. En los fenómenos de inducción electromagnética es el trabajo realizado en contra de las fuerzas magnéticas %ue aparecen entre espira e im&n el %ue suministra la energ)a necesaria para mantener la corriente inducida. i no 'ay desplazamiento, el trabajo es nulo, no se transfiere energ)a al sistema y las corrientes inducidas no pueden aparecer. *n&logamente, si éstas no se opusieran a la acción magnética del im&n, no 'abr)a trabajo exterior, ni por tanto cesión de energ)a al sistema.
