21
 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA (ITT) ALUMNOS: - Fernández Emeterio Mario Alain - García Sánchez Juan Manuel - Gómez Rosado Alejandro - Guia Flores Samuel Abiud - Ortega Ortega Daniel - Romero Jasso Diego PROFESOR(A): Ing. Ruth Chávez MATERIA: Electromagnetismo GRUPO: D39 Horario: 13:00  15:00 EQUIPO: 1 TRABAJO: Práctica del Electroimán

Practica Del Electroiman

Embed Size (px)

Citation preview

INSTITUTO TECNOLGICO DE TOLUCA (ITT)

ALUMNOS:Fernndez Emeterio Mario AlainGarca Snchez Juan ManuelGmez Rosado AlejandroGuia Flores Samuel AbiudOrtega Ortega DanielRomero Jasso Diego

PROFESOR(A):Ing. Ruth Chvez

MATERIA:Electromagnetismo

GRUPO: D39 Horario: 13:00 15:00 hrs

EQUIPO: 1

TRABAJO:Prctica del Electroimn

Introduccin. Elmagnetismoes un fenmeno fsico por el que losobjetosejercenfuerzasde atraccin o repulsin sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnticas detectables fcilmente como elnquel,hierro, cobaltoy susaleacionesque comnmente se llamanimanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de uncampo magntico.Elelectromagnetismoes una rama de lafsicaque estudia y unifica los fenmenoselctricosymagnticosen una sola teora, cuyos fundamentos fueron sentados porMichael Faradayy formulados por primera vez de modo completo porJames Clerk Maxwell. La formulacin consiste en cuatroecuaciones diferencialesvectoriales que relacionan elcampo elctrico, elcampo magnticoy sus respectivas fuentes materiales (corriente elctrica,polarizacin elctricaypolarizacin magntica), conocidas comoecuaciones de Maxwell.El electromagnetismo es unateora de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan enmagnitudes fsicasvectorialesotensorialesdependientes de laposicin en el espacioy deltiempo. El electromagnetismo describe losfenmenos fsicosmacroscpicos en los cuales intervienencargas elctricasen reposo y en movimiento, usando para ellocampos elctricosymagnticosy sus efectos sobre las sustancias slidas, lquidas y gaseosas. Por ser una teora macroscpica, es decir, aplicable slo a un nmero muy grande de partculas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de stas, el electromagnetismo no describe los fenmenos atmicos y moleculares, para los que es necesario usar lamecnica cuntica.El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatrofuerzas fundamentalesdel universo actualmente conocido.

Objetivo.Explicar y detallar los principios bsicos del funcionamiento de un electroimn, conocer sus propiedades bsicas, sus caractersticas, as como las leyes de Ampere,Fleming, Lenz y Faraday.Tambin desarrollar y explicar la fabricacin de un electroimn casero.Electroimanes.Un electroimn es un tipo particular de imn en el que el campo magntico se produce mediante el flujo de unacorriente elctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Tal efecto se consigue mediante el contacto de dos metales; uno en estado neutro y otro formado por un cable enrollado sobre el primero y atravesado por dicha corriente.El tipo ms simple de electroimn es un simple trozo de alambre enrollado formando una bobina. Una bobina con forma de tubo recto de dos formas (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando adems se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnticos mucho ms fuertes si se sita un ncleo de materialparamagntico o ferromagntico (normalmente hierro dulce) dentro de la bobina.Al someter un material ferromagntico a un campo magntico intenso, los dominios tienden a alinearse con ste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos estn orientados con el mismo sentido y direccin que el campo magntico inductor aumentan su tamao. Este aumento de tamao se explica por las caractersticas de las paredes de Bloch, que avanzan en direccin a los dominios cuya direccin de los dipolos no coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo. El ncleo concentra el campo magntico, que puede entonces ser mucho ms fuerte que el de la propia bobina y dependiendo de la histresis del material, el campo permanecer ms o menos tiempo despues de cesar la corriente del electroimn.

La histresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estmulo que la ha generado. Se encuentra, por ejemplo, histresis magntica si al magnetizar un ferromagneto ste mantiene la seal magntica tras retirar el campo magntico que la ha inducido. Tambin se puede encontrar el fenmeno en otros comportamientos electromagnticos, o los elsticos.Caractersticas del electroimn.Las caractersticas ms sobresalientes de los electroimanes son: Tienen 2 polos, uno positivo y uno negativo. Se consideran como temporales ya que se puede interrumpir el campo magntico en cualquier momento simplemente desconectando el circuito. Para producirse un campo magntico se necesita de una corriente generada por una fuente de energa ya se CA CD. Tienen la propiedad de atraer otros materiales metlicos. Para aplicaciones elctricas se deben tener en cuenta la tensin a la que va a trabajar y el consumo. Para aplicaciones trmicas la temperatura mxima de trabajo Para aplicaciones mecnicas la fuerza de atraccin y la carrera de su ncleo. Entre otras caractersticas.Funcionamiento del electroimn.El funcionamiento del electroimn se necesitan de diversos factores, primero se debe de aplicar una corriente elctrica, ya sea con una batera o cualquier otra fuente de electricidad, y hacerla fluir por un cable, esto origina el campo magntico alrededor del cable bobinado, magnetizando el metal como si fuera unimnpermanente. Una propiedad muy til es que podemos activar y desactivar las propiedades del imn simplemente interrumpiendo elcircuito elctrico. As mismo, los imanes tienen dos polos, uno negativo y otro positivo, por lo que atraen a diversos materiales como el acero, hierro y otro tipo de metales. Esto polos se pueden repeler o atraer; Por ejemplo, si tienen dos imanes enfrentados siendo uno negativo y el otro positivo, se atraern, pero si son del mismo polo se repelern. Un electroimn es exactamente lo mismo, solo que es algo temporal por lo que el campo magntico solo existe cuando hay una corriente elctrica en curso.Dispositivos que utilizan electroimanes.Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo magntico variable rpida o fcilmente. Muchas de estas aplicaciones implican la deflexin de haces de partculas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catdicos y el espectrmetro de masas.

Tubo de rayos catdicos

Espectrmetro de masas

As mismo los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en los frenos y embragues electromagnticos de los automviles. En algunos tranvas, los frenos electromagnticos se adhieren directamente a los rales.Frenos magnticos:

Electroimanes muy potentes en gras para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar magnticamente metales en chatarreras y centro de reciclado, en fin los electroimanes tienen un sin fin de aplicaciones hoy en da como las antes mencionadas, otro punto importante es que han sido la base para grandes avances tecnolgicos los cuales han ido surgiendo desde la antigedad.

Ley de Faraday.La ley de Faraday establece que la fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente proporcional a la variacin del flujo magntico e inversamente proporcional al tiempo que dura dicha variacin, es decir; que la fuerza electromotriz inducida es directamente proporcional a la rapidez con que vara el flujo magntico.

Dondees el campo elctrico,es el elemento infinitesimal del contorno C,es ladensidad de campo magnticoySes una superficie arbitraria, cuyo borde esC. Las direcciones del contornoCy deestn dadas por laregla de la mano derecha.En el caso de uninductorconNvueltas de alambre, la frmula anterior se transforma en:

Donde Ves elvoltaje inducidoyd/dtes la tasa de variacin temporal del flujo magntico. El sentido del voltaje inducido (el signo negativo en la frmula) se debe a laley de Lenz.La forma en que se puede reconocer la existencia de una fem en el circuito es a travs de la corriente elctrica que en el mismo aparece, dicha corriente aparece gracias la presencia de un campo elctrico no electrosttico que provoca una fuerza sobre las mismas y de este modo comienzan a moverse dando lugar a la corriente elctrica.La variacin de flujo magntico sobre un circuito elctrico, puede producirse de mltiples formas por ejemplo: Acercando o alejando un imn natural Acercando o alejando un solenoide (recorrido por una corriente constante) Variando la corriente de un solenoide (lo que provoca sin necesidad de moverlo respecto al circuito, un aumento o disminucin del campo magntico por la variacin de I) Moviendo el circuito dentro de un campo magntico de tal forma que el flujo que lo atraviesa vare.

Ley de Ampere.Enuncia que la circulacin de la intensidad del campo magntico en un contorno cerrado es igual a la corriente que recorre en ese entorno, en donde el campo magntico disminuye inversamente con la distancia al conductor.

La integral del primer miembro es lacirculacin o integral de lnea del campo magnticoa lo largo de unatrayectoria cerrada, y: 0es la permeabilidad del vaco dles un vector tangente a la trayectoria elegida en cada punto ITes la corriente neta que atraviesa la superficie delimitada por la trayectoria, y ser positiva o negativa segn el sentido con el que atraviese a la superficie.Gracias a la ley de Ampre se puede calcular el campo creado por un hilo infinito por el cual circula una corriente I a una distancia r del mismo. En donde las lneas del campo magntico tendrn el sentido dado por la regla de la mano derecha para la expresin general delcampo creado por una corriente, por lo que sus lneas de campo sern circunferencias centradas en el hilo, como se muestra en la parte izquierda de la siguiente figura.

Para aplicar la ley de Ampre se utiliza por tanto una circunferencia centrada en el hilo de radior. Los vectoresy dlson paralelos en todos los puntos de la misma, y el mdulo del campo es el mismo en todos los puntos de la trayectoria. La integral de lnea queda:

Empleando la ley de Ampre puede calcularse el campo creado por distintos tipos de corriente. Dos ejemplos clsicos son el deltoroide circulary el delsolenoide ideal(*), cuyos campos se muestran en la siguiente tabla.Toroide circularSolenoide ideal*

(*) Un solenoide ideal es una bobina de longitud grande cuyas espiras estn muy juntas. En la expresin del campo magntico que crea,nes el nmero de espiras por unidad de longitud.

Ley de Fleming.Tambin conocida como la regla de la izquierda la cual es una ley muy utilizada en electromagnetismo la cual determina el movimiento de un conductor que se encuentra inmerso en un campo magntico o el sentido de la fuerza que se genera dentro de l.

Por ejemplo, en unconductorque se encuentra dentro de uncampo magnticoperpendicular a l y por el cual se hace circular una corriente, se crea una fuerza cuyo sentido depender de cmo interacten ambas magnitudes (corriente y campo). Esta fuerza que aparece como resultado se denominafuerza de Lorentz. Para obtener el sentido de la fuerza, se toma el dedo ndice de la mano (izquierda) apuntando a la direccin del campo magntico que interacta con el conductor y con el dedo corazn se apunta en direccin a lacorrienteque circula por el conductor, formando un ngulo de 90 grados. De esta manera, el dedo pulgar determina el sentido de la fuerza que experimentar ese conductor.Tambin es til para averiguar el sentido de la fuerza que el campo magntico ejerce sobre unpartculaconcarga elctricapositiva que circula por el seno de dicho campo magntico, simplemente cambiando la direccin de corriente por la direccin de movimiento de la partcula. Si se requiere saber la direccin de la fuerza de una partcula con carga negativa, debemos tomar como sentido de la fuerza el opuesto al que indica el dedo pulgar de la mano izquierda. 1. Dedo ndice.- indica las lneas de flujo 2. Dedo gordo.- indica el movimiento del conductor. 3. Dedo 3.- indica s entra sale la corriente.Ley de Lenz.Establece que las tensiones inducidas sern de un sentido tal que se opongan a la variacin del flujo magntico que las produjo, as mismo esta ley es una consecuencia del principio de conservacin de la energa.Para el flujo de un campo magntico uniforme a travs de un circuito plano se da por:

Donde: =Flujo magntico. La unidad en elSIes elweber(Wb). =Induccin magntica. La unidad en el SI es eltesla(T). =Superficiedefinida por el conductorconductor. =nguloque forman el vectorperpendicular a la superficie definida por el conductor y la direccin delcampo.Si el conductor est en movimiento el valor del flujo ser:

En este caso laLey de Faradayafirma que laVinducido en cada instante tiene por valor: VDonde Ves elvoltaje inducidoyd/dtes la tasa de variacin temporal del flujo magntico. La direccin voltaje inducido (el signo negativo en la frmula) se debe a laley de Lenz.

a.-Cuando se nueve un imn hacia la espira en reposo, se induce una corriente en la direccin mostrada

b.-Esta corriente inducida genera su propio campo magntico, que se dirige a la izquierda dentro de la espiar para contrarrestar el incremento del flujo externo

c.-cuando se aleja el imn de la espira conductora en reposo, se induce una corriente en la direccin mostrada.

d.-esta corriente inducida genera su propio B, que se dirige a la derecha dentro de la espiar, para contrarrestar la disminucin del flujo externo

Desarrollo de la prctica.Para el desarrollo de esta prctico se utilizaron los siguientes materiales: Un carrete de hilo Cinta adhesiva Un taladro Un switch cola de ratn Alambre magneto Una clavija

Una vez teniendo identificados y listos los materiales lo primero fue amarrar de un extremo una de las terminales que tiene nuestra bobina o nuestro electroimn, una vez que estuviera sujeto y con una buena longitud para esta terminal lo siguiente fue atorar el carrete de hilo en el taladro para ir embobinando o enrollando el alambre magneto en el carrete de hilo. Es importante que al ir enrollando el alambre magneto en el carrete se debe de conseguir una mayor resitencia conforme al nmero de vueltas, al dimetro, a la distancia entre cada espiral, entre otros factores. Una vez que terminamos de fabricar nuestra bobina, tuvimos que colocarle cinta de aislar alrededor para que el embobinado no se aflojara o se llegara a romper, ya que si suceda esto podra bajar la resistencia original o pudiera ocasionarse un corto.

Ya que tenamos la bobina echa y protegida por la cinta de aislar, lo siguiente fue raspar los extremos de las puntas de las terminales, para hacer esto pusimos un encendedor por unos cuantos segundos para pelar el alambre y quitar el recubrimiento que tena, ya que si se hace con una lija o con unas pinzas el alambre se rompe y esto puede provocar problemas. Una vez que las terminales estuvieron peladas medimos la resistencia que se gener en el embobinado el cual fue de 280 ohms.

Ya que nuestra bobina estuvo terminada la utilizamos para aplicarla a un timbre y a una chapa elctrica, ya que cuando se conecta a la corriente alterna (CA) se genera un campo elctrico alrededor de la bobina, entonces para hacer el timbre solo colocamos un clavo dentro del carrete y colocamos un punto en donde al apagar el campo elctrico este regresara y as sucesivamente, la funcionalidad de este timbre es que al colocar el switch en la posicin de encendido o de ON este impulsara el clavo hacia el contacto de metal y este genere un ruido como si fuera el de un timbre.

Para la aplicacin de la chapa elctrica es parecida ya que solo se cierra la puerta cuando el circuito est cerrado, ya que el clavo se pega a la superficie de metal, y al momento de que el circuito se abre es como si simulara que la chapa se abriera.

Conclusin general.Lo que pudimos ver acerca de esta prctica es que los electroimanes se utilizan en un sinfn de aplicaciones, como por ejemplo los timbres para la casa, para chapas de seguridad, en relevadores, motores, entre otras cosas.Otro punto importante es que el campo magntico se genera cuando se pasa una corriente elctrica por un conductor, para que exista un campo magntico mayor se van a requerir de varios factores, los cuales son el nmero de vueltas del alambre, la corriente y la longitud del circuito magntico.As mismo uno de los problemas que tuvimos fue al embobinar el carrete de hilo ya que si lo hacamos enrollndolo a mano nos bamos a tardar demasiado ya que para generar cierta resistencia se necesitaban de muchas vueltas, por lo que utilizamos un taladro para hacer este proceso ms rpido aunque tuvimos que realizarlo unas 3 veces ya que el alambre se nos rompa o se nos enredaba y la resistencia era muy baja, lo que provocaba que al conectarla esta se quemara muy fcilmente.En fin pensamos que el desarrollo de esta prctica fue de gran utilidad ya que en nuestra carrera debemos de aprender los conceptos bsicos de cmo funciona un electroimn, sus caractersticas, sus propiedad, entre otras cosas, ya que como se menciona anteriormente se utilizan en un sinfn de aplicaciones las cuales vamos a utilizar en semestres ms adelantados.

Conclusin por Gmez Rosado Alejandro.Lo que pude ver acerca de esta prctica es que para generar un electroimn dependen de varios factores principales los cuales son el dimetro y la geometra del material, del nmero de vueltas que se generen, la distancia de separacin entre cada espiral, la corriente que se proporcione, entre otras cosas. Tambin es importante que si se quiere generar un campo magntico ms grande se puede ocupar un ncleo de un material ferro magntico o paramagntico como el hierro dulce o la ferrita, ya que al hacer esto el campo magntico se concentra con una mayor fuerza en el ncleo y esto origina que se genere un campo magntico mucho ms grande incluso que el del electroimn. Otro punto importante es que como realizamos un electroimn casero si lo conectamos por un tiempo muy grande este se puede llegar a quemar ya que la resistencia que se gener al hacer el embobinado no es muy grande, y la corriente es muy grande ya que se utiliza corriente alterna para generar este campo magntico.En fin esta prctica fue muy interesante y entretenida ya que adems de conocer la teora, los principios de cmo opera, sus caractersticas, aplicaciones, pudimos darle un uso durante esta prctica la cual fue la de una chapa elctrica y la de un timbre. Comentario por Garca Snchez Juan Manuel.En conclusin, un electroimn funciona gracias a que tiene un bovina de alambre, y usualmente un ncleo de hierro dentro de la bovina, a corriente pasa a travs de la bovina, creando un campo magntico con un polo norte y sur y es posible prenderlo y apagarlo, si el ncleo es de hierro suave ,esto no es posible con un imn permanente.

Comentario por Fernndez Emeterio Mario Alain.Para m es un dispositivo muy simple, su operacin es muy sencilla, consta de un embobinado alrededor de un ncleo comnmente de hierro o de algn otro conductor, teniendo en cuenta que el cable del embobinado cuenta con un recubrimiento dielctrico para evitar cortos circuitos. Es muy empleado en la vida diaria desde un simple electro imn como gra hasta una actuador para una puerta elctrica.Comentario por Romero Jasso Diego.Un electroimn es simplemente un imn que contiene embobinado el cual posee una resistividad que entre ms vueltas tenga la bobina esta aumentara, cuando se conecta y un corriente fluye a travs de l, crea un campo magntico el cual es de dos polos, y una de las aplicaciones ms comunes en la vida cotidiana es un timbre o una chapa elctrica.

Comentario por Ortega Ortega Daniel.Un electroimn, es un imn, que funciona como tal en la medida que pase corriente por su bobina. Al momento en que se corta la corriente deja de magnetizar. Un electroimn, esta compuesto en su interior, por un ncleo de hierro. Ncleo al cual, se le ha incorporado un hilo conductor, recubierto de material aislante, tal como la seda o el barniz. Hilo que tiene que ir enrollado en el ncleo, para que el electroimn funcione. Hoy en da los electroimanes son ahora una parte integral de la sociedad moderna industrializada, cuyas funciones van desde los timbres, (objetos que podemos encontrar en todas las casas), piezas de automviles y computadoras a losgeneradoresde electricidad en las centrales elctricas.

Referencias Bibliogrficas. http://www.inta.es/descubreAprende/htm/accion6.htm http://www.eurocopper.org/cobre/electroimanes.html http://www.misrespuestas.com/que-es-un-electroiman.html http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/ampere.html K. Cheng David (1998). Fundamentos de electromagnetismo para ingeniera. (1. Reimpresin) Mxico, Edo. De Mxico.: Addison Wesley Longman de Mxico S.A. de C.V. Mximo Antonio, Alvarenga Beatriz (1998). Fsica general con experimentos sencillos. (4. Edicin) Mxico, D.F.: Oxford University Press Harla Mxico S.A. de C.V. Harris Benson (2000). Fsica Universitaria Volumen 2. (1 reimpresin) Mxico: CECSA S.A de C.V.