Electricidad y Magnetismo.

Practicas de Laboratorio.

 

ELECTROMAGNETISMO

 LEYES DEL MAGNETISMO 

(*Biot-Savart,  **Fuerza Entre Conductores, ***Ampere)

Objetivo

 

LEY  DEL MAGNETISMO  * DE BIOT-SAVART
En  la clase  investigamos   que pasa  al situar  un objeto dentro  dentro  de una   campo magnético y   entendimos que  cuando una  carga  en movimiento atraviesa el campo experimenta una fuerza  magnética. Por lo cual  también un alambre portador de corriente  en un campo también  experimenta  fuerza magnética  y  que una espira   por la cual circula una corriente  sufre la acción  de un momento de torsión de fuerzas. Ahora investigaremos el origen del campo magnético,  que fue descubierto  por Oersted,  cundo  una corriente  eléctrica   atreves de un alambre desvía  una brújula indicando que una  corriente eléctrica  actúa como una fuente de  fuerza magnética. A partir de  la investigación sobre la fuerza entre un conductor de corriente  y un imán, Jean Baptiste Biot y Félix Savart formularon una expresión para el campo  magnético  en un punto  del espacio en términos de la corriente  que produce el campo. Supongamos  que la distribución  de corriente es un alambre por el que fluye  una corriente estacionaria  como se indica en la figura.

La ley de Biot-Savart  establece el   campo magnético dB en un punto P creado por  un  elemento de longitud  infinitesimal ds del alambre tiene las  propiedades:


Donde  es una constante =
    , constante de permisividad del espacio libre;

La ley de Biot-Savart  se puede escribir como:

 

EXPERIMENTO 18-1; LEY DE BIOT-SAVART


 Problema a resolver
Considere un segmento de alambre largo y delgado que transporte una corriente  constante I  y que está  situado a  lo largo del eje x, como  se muestra en la figura.   

a).-Utilice la ley  Biot-Savart  para demostrar  que el campo magnético total  en el punto P, situado a una distancia  a  del alambre  es de;
  

Contestar  después de ver la ley de  ampere
b).-Si el alambre tiene  longitud infinita,  demostrar que  el  resultado  obtenido en el inciso a)  proporciona  un campo magnético que coincide  con el que se obtiene  utilizando  la ley  de ampere

 

Preguntas a contestar:
1.-Un conductor portador  de i no experimenta  ninguna F  cuando se sitúa   de cierta manera  en un  B ¿Explique por qué?
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2.- Cundo  una  I   circula  atreves de  un alambre,  se  desvía  la  brújula. ¿Por  qué  ocurre esto?
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3.- ¿Es posible  orientar una  espira   por la que circula corriente,  en  un B de forma  que la espira  no tienda a girar?
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4.- ¿En qué año  se formuló la  famosa ley de Jean Baptiste Biot y Félix Savart?
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5.- Explica  en qué  consiste  la ley  BIOT-SAVART ______________________________________________________________________________
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Material y equipo necesario: experimento. Ley de Biot-Savart

 

Metodología:

Armar el experimento,  utilizando el medidor de  fuerzas entre  dos conductores
Fuera entre alambres paralelos.jpg(Balanza de Corriente)
Courrent balance S52136   science source catalog No.:10-400; Fisher Scientific, Measures the force between two parallel conductors. Accesorios necesarios; Fuente  de alimentación, 0–5A DC Medidor  de Corrientes

 Se usa   este   equipo para   demostrar  la  existencia de fuerzas  entre   un cable portadores de corriente.  Y un punto,    Y  también   es Utilizado para investigar  los factores y  magnitudes  de las  fuerzas entre   el conductor y su efecto en objetos próximos. Es de Fácil lectura, operación sencilla,  escalas  libres, solo requiere   conexión de la fuente de alimentación no provista de  20 volts y 5 Amp.   Es  importante seguir  las instrucciones  de manual  para  ensamblado  correcto  y puesta en operación. El alumno debe hacer    un registro escrito  y con imágenes  del desarrollo del experimento.

  1. Referencia en  internet;  ttp://fisheredu.dirxion.com/college/09/WebProject.asp?BookCode=clg09flx#

 

Reporte  del alumno (resultados): Experimento. Ley de Biot-Savart

1.- Llevar a cabo  los experimentos  y describir su proceso paso a paso  con imágenes
2.- Resolver los problemas  indicados
3.-Contestar las preguntas 
4.-Emitir  sus  observaciones  y conclusiones

 

LEY  DEL MAGNETISMO **FUERZA MAGNÉTICA  ENTRE DOS  CONDUCTORES  PARALELOS

Anteriormente se describió la fuerza magnética que actúa  sobre un conductor  portador de corriente,   cuando se  sitúa  en un campo magnético  externo. Como  una  corriente  en un conductor  genera su  campo  magnético, comprenderemos  que dos conductores  portadores  de corriente  ejercerán  fuerzas  magnéticas  entre si,  como veremos, se   utiliza esas fuerzas  como base  para definir  el ampere y el coulomb.

Cuadro de texto: Fig. #1      Alambres paralelos   Fuerza entre conductores  Considere  dos alambres  paralelos rectos e infinitamente largos  separados por una distancia  a  y que portan corrientes  I1 e I2 en la misma dirección, como se ilustra en la figura, #1      tomando un modelo  en el que el radio  de los alambres  es  más pequeño que a, el  radio no interviene en cálculos. Determinaremos la fuerza  en un  alambre debida al campo  generado por el otro. El alambre 2, que transporta la corriente I2  genera un campo magnético B2 en el alambre  1. La dirección  de B2  es perpendicular  al alambre  como se  muestra en la figura #1. De acuerdo  con la ecuación , la fuerza ejercida  sobre una longitud  del alambre 1  es . Como  es perpendicular a B2, la magnitud de F1  es dado  que el campo debido al alambre 2 viene  dado por la ecuación       vemos que:  
Describiendo en términos  de fuerza por unidades de longitud como ,
La dirección F1 es hacia abajo, hacia  el alambre 2, ya que apunta hacia abajo, si consideramos el campo sobre  el alambre 2 debido  al lambre1,  la fuerza F2 en el alambre 2 resulta ser  de igual magnitud  y dirección opuesta  a F1.  Es lo que   podría esperar, ya que  se debe  cumplir la tercera ley de newton. Así  evitamos  subíndice, de forma  que la fuerza  magnética  por unidad  de longitud ejercida  por cada alambre portador de corriente sobre el otro es;

. Esta ecuación  también es válida  si uno de los cables  es de longitud infinita.

Cundo  las corrientes  en dos  alambres tienen direcciones  opuestas las fuerzas se invierten, y los alambres  se repelen entre sí. Por lo tanto, vemos que los conductores paralelos  que transportan  corrientes  en la misma dirección  se atraen,  mientras  que los  conductores paralelos  que transportan  corrientes  en dirección  opuesta  se  repelen. 

La  fuerza magnética  entre dos  alambres paralelos  portadores de corriente, se se utiliza para  definir  el Ampere; si dos alambres  largos  y paralelos  separados  separados por 1 metro transportan la misma  corriente  y fuerza  por unidad de longitud en cada alambre es de , entonces se dice  que la corriente es de 1 A. el valor numérico  se obtiene  de , con I1=I2=1 A y a = 1 m . la unidad de carga del SI,  es el Coulomb
La unidad  de Carga Se puede definir  en términos del Ampere: si  un conductor  transporta una corriente  estacionaria de 1 Ampere, la  cantidad de carga que fluye  atreves  de una  sección  transversal del conductor en 1  seg.  es  de 1 Coulomb.

 

EXPERIMENTO. FUERZA MAGNÉTICA ENTRE DOS CONDUCTORES

Problema a Resolver

Se ha sugerido utilizar  cañones  de rieles para lanzar proyectiles  al espacio  sin necesidad  de cohetes químicos, y también  como  armas antimisiles tierra-aire. Una versión en miniatura de un canon de rieles figura #2 está  formada por dos rieles largos  paralelos  horizontales  separados  3.50 cm, unidos por una barra BD con una masa de 3.00 gr. La barra  se encuentra inicialmente en reposo en el punto central de los rieles  y tiene  libertad para  deslizarse sin fricción. Cundo se cierra el interruptor,  se establece  rápidamente una corriente eléctrica  en el  circuito ABCDEA. Los rieles  y la barra tienen  una baja resistencia eléctrica, y  una  fuente de alimentación limitada la  corriente a 24 .0 Amp.  constantes.

   Inciso a) Hallar la magnitud  del B a  1.75 cm de una  alambre  que transporta una i = 24.0 Amp.
   Inciso b) Halla B  en el punto C del  diagrama, en el punto intermedio de la barra,  después de que  se haya cerrado el interruptor.
   Inciso c)  En otro punto a lo  largo de la barra  BD, el campo tiene  la misma dirección  que en el punto C,  pero su  magnitud  es mayor. Suponga  que el B  promedio  a lo largo de BD es 5 veces mayor  que el campo  en C y, con esa suposición, encuentre    F  ejercida  en la  barra.
    Inciso d) Encuentre la aceleración  con  la que la barra  comienza  a moverse.
    Inciso e) ¿Se mueve la barra con la aceleración  constante?
    Inciso f)  Halle la velocidad  de la barra después de recorre 130 cm hasta el extremos de los rieles.

Preguntas a contestar:

1.-Los alambres  paralelos  conductores  de corriente  ejercen fuerzas magnéticas  entre sí, ¿Qué pasa con los alambres perpendiculares?
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2.- Explicar ¿por qué  dos  alambres que transportan corrientes opuestas se repelen?
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3.- Un tubo de cobre hueco transporta una corriente  en sentido longitudinal ¿por qué B=0 dentro del tubo?
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4.- Un tubo de cobre hueco transporta una corriente  en sentido longitudinal ¿Es  B diferente  de cero dentro fuera del tubo?
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5.- ¿Cuál es la mejor forma para desmonetizar un clavo, magnetizado previamente?, ¿Golpeándolo o cantándolo
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Material y equipo necesario: experimento. Fuerza magnética entre dos conductores

 

Metodología:

Armar el experimento,  utilizando el medidor de  fuerzas entre  dos conductores
Fuera entre alambres paralelos.jpg(Balanza de Corriente)
Courrent balance S52136   science source catalog No.:10-400; Fisher Scientific, Measures the force between two parallel conductors. Accesorios necesarios; Fuente  de alimentación, 0–5A DC Medidor  de Corrientes

 Se usa   este   equipo para   demostrar  la  existencia de fuerzas  entre  dos  cables conductores paralelos,  portadores de corriente.  Y  también   es Utilizado para investigar  los factores y  magnitudes  de las  fuerzas entre  conductores. Es de Fácil lectura, operación sencilla,  escalas  libres, solo requiere   conexión de la fuente de alimentación no provista de  20 volts y 5 Amp.   Es  importante seguir  las instrucciones  de manual  para  ensamblado  correcto  y puesta en operación. El alumno debe hacer    un registro escrito  y con imágenes  del desarrollo del experimento.

Fisher Scientific

Reporte  del alumno (resultados): Experimento de FUERZA MAGNÉTICA  ENTRE   CONDUCTORES  
1.- Llevar a cabo  los experimentos  y describir su proceso paso a paso  con imágenes
2.- Resolver los problemas  indicados
3.-Contestar las preguntas 
4.-Emitir  sus  observaciones  y conclusiones

 

LEY  DEL MAGNETISMO ***LEY DE AMPERE

 Introducción:
Un  experimento llevado de Oersted en 1820 mostró que un conductor portador de corriente  genera   campo magnético. En este experimento, se sitúan varias  brújulas  en un plano horizontal, cerca  de una alambre vertical,  como se indica en a figura a. Cuando  el alambre   no lleva corriente, las agujas  apuntan  en  dirección  al campo magnético terrestre. Sin embargo, cuando el cable lleva una corriente  estacionaria,  las agujas se desvían  en dirección tangencial a un círculo  como muestra la figura b. Estas observacionesmuestran que  la dirección  de B  es  congruente  con la regla  de la mano derecha. Cuando  se invierte la corriente, las  agujas de la figura b,  se invierten.
 Como las agujas  apuntan  en dirección de B, concluimos   que  las líneas  de B  forman círculos  alrededor del alambre. Por simetría  la magnitud  B es  la misma  en todos los puntos  de la trayectoria  circular centrada en el alambre, y el  vector  es  perpendicular al alambre.  Variando la corriente  y la distancia  al alambre, se encuentra  que B es proporcional  a la corriente e inversamente proporcional   a la   distancia  del alambre.

 Al estudiar  anteriormente la ley de Gauss, que establece  relación  entre  carga  eléctrica y  el campo eléctrico que  genera. La ley de gauss  puede  utilizarse para calcular  campo eléctrico en situaciones  con alto grado de simetría. Ahora  consideramos una  relación  análoga  en magnetismo,  entre una  corriente y el  campo magnético que esta  genera.  Se   utiliza esta  relación  para calcular  campo  magnético debido a una distribución de corriente  con   alto grado  de simetría.

 Evaluemos  el producto  para un pequeño elemento  de longitud  ds en la trayectoria  circular centrada en el alambre de la figura a,  a lo largo de esta trayectoria. los vectores ds y B tienen   magnitud constante  a lo largo del circulo y está  dada por la  ecuación . Por  lo tanto, la suma  de los  productos  de la trayectoria, que es equivalente  a la  integral de línea  de  es:

 Donde  es la circunferencia del  círculo.
 Este resultado es conocido como la ley de Ampere, se calculo  para el caso de una trayectoria  circular que rodea  el alambre. Puede aplicarse a un caso  donde una  corriente estacionaria  fluye  atreves del  área delimitada por una trayectoria cerrada  arbitraria. Es decir  la ley  de ampere   dice  que la integral de   alrededor de cualquier  trayectoria  cerrada es igual a  donde I es la  corriente estacionaria  total que atraviesa la  superficie  determinada por la trayectoria  cerrada.


Pregunta A
Ordene   de menor  a mayor  los valores  de Para  las trayectorias cerradas mostradas en la figura

 

 

 

Pregunta B
Ordene   de menor  a mayor  los valores  de
Para  las trayectorias cerradas mostradas en la figura

 


 

La ley  de Ampere  es  válida solo  para  corrientes estacionarias y alta simetría 
Varias trayectorias cerradas  en las  proximidades de un único  Alambre portador de  corriente

EXPERIMENTO.-   DE LA LEY DE AMPERE

 Problema a Resolver; Cuatro  conductores  largos  y paralelos  transportan  corrientes iguales, de  magnitud I=5.00 A, la figura muestra  los conductores desde  los  extremos. La dirección de la  corriente es hacia  dentro de la  pagina  en los puntos  A y B (indicado por cruces) y hacia  fuera de la pagina  en C y D (indicado por  puntos). Calcular la magnitud  y la dirección  del campo magnético en el  punto P, situado en el  centro del cuadrado, cuyo  lado es de 0.200m.

 

 

Preguntas a contestar:

1.-Describa el  campo magnético  en el espacio  encerrado por un solenoide que transporta corriente  estacionaria?
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2.- ¿Describa Cuál  fue  el experimento  llevado  a cavo por Oersted en 1820, en el  mostró que un conductor portador de corriente  genera   campo magnético?
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3.-¿Cómo podría  hacer visibles  las líneas  de campo magnético   alrededor de un alambre   por el que circula una corriente?
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4.- Enuncie la ley de Ampere  y   escriba   la  formula   correspondiente?
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5.- ¿La  ley de Ampere  es  válida  para todo tipo de corrientes letricas?
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Material y equipo necesario: aparato  Ampere.jpg

1. Aparato  de la ley  de Ampere
Modelo WL2347
Sargent-Welch
Incluye  2 terminales
(5) brújulas pequeñas,
Dimensión   del  aparato;  7.5 x19 x7.5 cm H
1. Fuente de alimentación de 12 Volts C. C.
1. Multimetro
2.Cables de  conexión (banana  caimán)
Limaduras finas de hierro

Metodología:

 Operación  del Aparato  de la ley  de Ampere
Construido  con  alambre de  cobre  resistente recubierto, y con soportes. Para  mostrar la dirección  del campo magnético en la porción  vertical del  alambre.
Colocar una  brújala   de  50 mm  de  diámetro debajo de  la superficie  acrílica  horizontal, donde  se mostraran los efectos y dirección  del campo   alrededor del alambre, puede  espolvorear finas  limaduras de  hierro  para    hacer visible  las líneas de campo magnético.
 Conectar la fuente de alimentación y al  pasar la corriente eléctrica través del alambre  en un sentido podrá  ver  que la  brújala   apunta en una dirección  y  si la corriente  es invertida  podrá  observar cual es el efecto sobre la brújula. Usted puede   trazar  y  determinar la dirección de las líneas de fuerza  magnética  alrededor  del  alambre  o simplemente observarlas.
Consultar  el manual de operación del  aparato,   si es necesario.

Correlación  con temas  y subtemas  del programa  de estudio vigente:


Unidad

Tema

Subtema

5

Electromagnetismo

5.3-Fuerza magnética  entre corrientes
5.4-Ley de Biot-Savart
5.5-Ley de Gauss del campo magnético
5.6-Ley de Ampere

 

 

Sugerencias didácticas:

  • Propiciar  la búsqueda   de información  de temas a fines, en libros, revistas,  en internet.
  • Propiciar  debate para plantear   alternativas para el estudio   de las leyes del magnetismo
  • Uso de video   para mejorar  la comprensión  de los conceptos
  • Desarrollo de   modelos didácticos  por los  alumnos
  • Uso de software y  laboratorios virtuales  para solución y comprensión de conceptos
  • Elaborar  con el estudiante  un banco de problemas  para reforzar los temas vistos en clase

Reporte  del alumno (resultados):
1.- Llevar a cabo  los experimentos  y describir su proceso paso a paso  con imágenes
2.- Resolver los problemas  indicados
3.-Contestar las preguntas 
4.-Emitir  sus  observaciones  y conclusiones

Bibliografía preliminar:
Libro de texto  oficial de la materia
Serway   Raymond y Jewett John.
Física II: Texto basado en calculo
                                   Ed. International Thompson Editores,  ISBN 970-696-340-0

Zbar, Rockmaker, Bates((2002)
Practicas  de Electricidad
Editorial  alfaomega grupo editor S. A. de C. V. ISBN 970-15-0675-8

                                              Sargent- Welch,  todo para ciencia  de principio a fin, Catalogo 2005
                                               http://sargentwelch.com/

Fisher Scientific

  •                      http://fisheredu.dirxion.com/college/09/WebProject.asp?BookCode=clg09flx#

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Elaborado en: Enero del 2004 | Ultima actualización: febrero del 2010.