Fuerza Magnética - Instituto de Física - Universidad de Antioquia

Lab Física 2 Instituto de Física Universidad de Antioquia
Fuerza Magnética
Objetivo:
1. Determinar el sentido y la magnitud de la fuerza magnética ejercida sobre
un alambre conductor, cuando se le coloca bajo la influencia de un campo
magnético constante.
2. Establecer la relación funcional de la fuerza medida con respecto a: la
corriente circulada sobre el cable, la intensidad del campo magnético y la
longitud del conductor.
Equipo
Regla de 30 cm
Imán
Bobina pendular
Brújula
Milímetro
Modulo motor
Marco Teórico
Por Lucelly Reyes
Fuente Protek
LabGICM
sensor magnético
4 cables bananas
1 cable caimán banana
Fuerza sobre una porción de conductor rectilíneo.
Cuando un conductor de área transversal S y longitud L, que transporta corriente
se encuentra en un campo magnético, se están ejerciendo fuerzas sobre las
cargas móviles situadas dentro del conductor. Estas fuerzas se transmiten a la
materia que constituye el conductor y éste experimenta una fuerza distribuida a lo
largo de él.

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En la figura anterior, se muestra la dirección y sentido de la fuerza que ejerce el
campo magnético sobre un portador de carga positivo q, que se mueve hacia la
izquierda con velocidad .
Calculemos la fuerza sobre todos los portadores (nSL) de carga contenidos en la
longitud L del conductor.
El vector unitario tiene la misma dirección y sentido que el vector
velocidad, o el sentido en el que se mueven los portadores de carga positiva.
En el caso de que el conductor no sea rectilíneo, o el campo magnético no sea
constante, se ha de calcular la fuerza sobre un elemento de corriente dL
Motor eléctrico
Uno de los dispositivos electrónicos llama poderosamente nuestra atención son
los motores eléctricos. Este especial interés podría utilizarse como una
motivación para explicar diversos fenómenos electromagnéticos así como
también para explicar los usos de los mismos.
Para entender cómo funciona un motor accionado por esa fuerza magnética,
examinemos la Fig 4, donde tenemos:
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Un alambre doblado en forma de rectángulo, es decir, una espira
rectangular abcd
Esa espira se coloca dentro de un campo magnético, creado por
un imán (o un electroimán) entre sus polos.
La espira se conecta a una batería que le proporciona una
corriente i.

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Fig 1 Esquema de un motor muy simple de corriente continua, constituido por una
sola espira.
Esa conexión se hace a través de un contacto móvil, constituido por dos piezas
conductoras, denominadas escobillas (hechas por lo general de carbón),
simplemente apoyadas en un dispositivo denominado conmutador que tiene forma
semejante a un anillo cortado a la mitad, estando cada parte ligada a uno de los
extremos de la espira (Fig. 1).
Usando la “regla de la mano derecha”, podemos verificar que el lado ab de la
espira (recorrido por la corriente de b hacia a queda bajo la acción de una fuerza
magnética dirigida hacia arriba, como lo muestra la Fig. 1. Con la misma regla,
vemos que sobre el lado cd actúa una fuerza magnética dirigida hacia abajo. Es
fácil percibir, entonces, que esas dos fuerzas harán girar la espira en el sentido
mostrado en la figura.
Como el conmutador está sólo apoyado en escobillas (contacto móvil) y está
sujeto a la espira, gira junto con ella. Después de que la espira efectúa media
vuelta, el lado ab estará ocupando la posición cd y viceversa y, así, las fuerzas
magnéticas continúan actuando sobre la espira, haciendo que ésta permanezca
en rotación, en tanto sea alimentada por la corriente.
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Momento sobre la espira de corriente
La figura a muestra la espira de corriente rectangular de alambre de longitud a y
ancho b colocada en un campo magnético uniforme , con sus lados ab
identificado como 1 y dc como 3 normales a la dirección del campo. La normal al
plano de la espira forma un ángulo con la dirección de del iman.
La fuerza neta sobre la espira es la resultante sobre los cuatro lados de ella. En
este caso, las fuerzas magnéticas sobre los lados de longitud a se cancelan
entre sí, y no producen torque debido a que tienen la misma línea de acción. Las
fuerzas tienen una magnitud común de ibB. Estas fuerzas, se anulan entre
si por ser iguales y antiparalelas, pero forman un par y, en consecuencia,
producen un torque en torno de cualquier punto. En la figura b, se nota que el
brazo de palanca de cualquiera de estas dos fuerzas en torno del punto O es igual
a . Por lo tanto el torque neto alrededor de O tiene la magnitud
Donde A =ab es el área de la espira. La dirección de rotación de la espira tiende a
llevar a en alineación con . La ecuación anterior da el torque de una sola
espira en el campo. Si se tiene una bobina de N vueltas (tal como se encontra en
un motor), el torque total para una bobina será:
Esta ecuación se cumple, por lo general, para toda espira plana de área A, sea o
no rectangular.
Una expresión para el torque que está de acuerdo con la ecuación anterior es una
expresión vectorial dada por
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Donde se define como el momento dipolar magnético de la espira, con ,
un vector perpendicular al plano de la espira. El sentido de está determinado por
la regla de la mano derecha.
Procedimiento
1. Caracterización del imán. Con el sistema LabGICM tome unas 10 medidas
del campo magnético versus distancia x dentro del imán (Fig 2a)
2. Haga un grafico. De B vs x. Obtenga la ecuación característica del campo
para esta región del espacio.
3. Repita el numeral anterior pero para distancias a lo largo del eje y. Tome
valores desde el interior hasta unos centímetros fuera del imán, centre el
sensor en una recta imaginaria a lo largo de y que pase por el centro del
imán.
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Figura 2
4. Fije una corriente máxima de seguridad de 1A en la fuente. con el botón CC
SET presionado rote AADJ hasta que se lea 1A en la pantalla de la corriente;
suelte el botón. Mantenga el botón DC OUT salido: húndalo solo
cuando vaya a aplicar un voltaje.
5. Alineé un cable en la dirección N-S sobre una brújula, conéctelo
directamente a la fuente de voltaje. Prediga, utilizando la mano derecha, en
qué sentido se desviara la aguja de la brújula según el sentido de la
corriente que se establezca en el cable. Cuando la aguja de la brújula esté
quieta, aplique un voltaje entre los extremos del cable. Invierta la dirección
de la corriente; ¿se desvía según lo predicho? Repita con el cable

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perpendicular a la brújula. Cambie la corriente a valores menores a 1 A y
repita lo anterior.
En 1820, Oersted, impartiendo una clase de Física en la Universidad de
Copenhague, y tratando de explicar que era la corriente eléctrica que había
descubierto Volta, acercó por casualidad una brújula a un conductor por el que
circulaba corriente y observó que la aguja imantada sufría una desviación.
Explique cada una de las conclusiones obtenidas por Oersted de acuerdo a
sus observaciones.
Una corriente eléctrica, circulando por un conductor, produce un campo
magnético que es perpendicular al conductor. Cuando circula corriente
la brújula se dispone perpendicularmente al conductor.
El sentido del campo magnético depende del sentido de circulación de la
corriente. Cuando se invierte el sentido de circulación de la corriente, la
brújula también invierte su orientación.
La intensidad del campo magnético depende de la distancia entre el
conductor y la brújula. Cuanto más cerca esté la brújula del conductor
mayor será su efecto sobre ella y viceversa.
La intensidad del campo magnético depende de la intensidad de la
corriente. Cuanto mayor sea la intensidad de la corriente mayor será el
efecto sobre la brújula.
6. En la figura 3 se ilustra una bobina de 20 espiras, de cobre barnizado,
suspendida de un soporte de aluminio; también se indica el sentido del
arrollamiento de las espiras. Entre a y b se puede establecer una diferencia
de potencial, y por lo tanto una corriente a través de la bobina.

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Figura 3 Bobina pendular
Maneje con cuidado el montaje para evitar que se partan los cables de
suspensión de la bobina. Acerque el imán al aluminio y a las bobinas para
averiguar si hay o no una atracción notable entre ellos y el imán.. A
continuación, ponga la brújula sobre la mesa, y la bobina, alineada N-S,
sobre la brújula. Aplique 10 V entre a y b, note si la aguja se desvía en la
dirección predicha por la mano derecha. Invierta el sentido de la corriente y
vuelva a observar. Si al hundir DC OUT no marca corriente revise los
contactos de la espira.
Explique sus observaciones.
1. Manteniendo el montaje de la figura 3. Acerque el imán como se indica en
la figura 4a y aplique 10V. Rote 180° el imán figura 4b. Traslade el imán, sin
rotarlo nuevamente, a la parte superior de la espira, figura 4c. Por último,
llévelo a la posición indicada en 4d.

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Explique sus observaciones
Figura 4
Sabemos que si por un conductor por el que circula una corriente eléctrica y
esta sumergido en un campo magnético, experimentara una fuerza
magnética dado por
F BILsen
BI L
Donde I┴ se refiere a la corriente perpendicular al campo B, y donde L es la
longitud del conductor. La dirección de la fuerza se determina por medio de
la regla del tornillo de rosca derecha. Calcule la fuerza magnética para cada
uno de los casos mostrados en la figura 4.
2. Aleje la bobina de la vertical y suéltela; oscilara con una frecuencia natural.
Ahora sin aplicar un voltaje, trate de acercar y alejar el imán (Fig 4), con
una frecuencia igual a la natural.
Figura 5 Ley de Lenz
Cierre luego el circuito conectando un cable entre a y b, y repita el
movimiento con el imán. repita, con el cable entre a y b, pero entrando
completamente el imán entre las espiras.
Explique sus observaciones, están de acuerdo con lo observado por Lenz
3. En el laboratorio se dispone de una bobina cuadrada abcd de alambre de
cobre con aproximadamente 50 espiras, que está aislado eléctricamente del
eje. Los extremos de la bobina van a dos pequeñas placas de cobre

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llamadas delgas, por las que se puede suministrar ( si el dispositivo lo
utilizamos como motor) u obtener (si lo utilizamos como generador) una
corriente. Las delgas, a medida que el rotor gira, van entrando en contacto
con una u otra escobilla (en la figura solo se muestra una, pero la otra está
situada simétricamente al otro lado del rotor), cambiando el sentido de la
corriente en la bobina.
Si la bobina se pone entre un imán con los polos como se muestra en la
figura, y se establece una diferencia de potencial constante entre a(+) y b(-),
describa con precisión que debe ocurrir. ¿Que pasara si se invierte el signo
de la diferencia de potencial, a(-) y b(+)?
Aplique 5 V DC entre a y b, y compruebe lo que Ud predijo en el anterior
párrafo.
(es posible que en el momento de aplicar el voltaje las delgas no estén en
contacto con las escobillas, en cuyo caso es necesario dar un movimiento
inicial al eje con la mano).
Cálculos:
Mida la fuerza que experimenta el rotor del motor.
¿Cuál es el torque de la espira?
Calcule el momento dipolar magnético de la espira