Induccion electromagnetica

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Induccion electromagnetica

  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONALTECNOLOGICA DEL CONO SUR DE LIMAINGENIERIA ELECTRONICA Y DE TELECOMUNICACIONES INFORME 05 Profesor: Bartolomé Alumno:Roca Poccorpachi Jorge Luis Fecha de presentación: 21/ 08/ 2012 Lima –Perú 2012
  2. 2. IntroducciónLos primeros fenómenos magnéticos observados fueron quizá la atracción entre el hierroy la magnetita (óxido de hierro) La magnetita formaba un imán natural que se encontróantiguamente en la provincia de Magnesia, mencionada por los griegos en el año 800 A. C.Quizá la primera aplicación práctica fue la invención de la brújula.Los grandes descubrimientos del siglo XIX llevaron a unificar el estudio de los fenómenosmagnéticos y eléctricos. En 1820, Oersted mostró que una corriente eléctrica producíauna deflexión en la aguja de una brújula. Después de este descubrimiento, Ampèremostró que conductores que conducían corriente eléctrica estaban sujetos a fuerzasmagnéticas. Faraday, alrededor de 1830, descubre el fenómeno de inducción. Con estosdescubrimientos se inicia una revolución tecnológica relacionada con los fenómenosmagnéticos y eléctricos, que continúa en nuestros días
  3. 3. Objetivos Estudio experimental de la ley de inducción electromagnética de Faraday utilizando imanes y bobinas EstudiarLas características tecnicas del transformador Entender en que consiste el fenómeno de la inducción electromagnética mediante la ley de Faraday y la Ley de Lenz. Comprender el fenómeno de inductancia mutua. Se estudiará la relación entre el voltaje de salida de un transformador, el voltajede entrada y el número de espiras de ambas bobinas.
  4. 4. Fundamento teórico Induccionelectromagnetica Flujo MagneticoMagnitud escalar , que representa el numero de líneas de campo magnético que atraviesa cierta superficie , matemáticamente se representa por la siguiente expresión : Las unidades de medición son el Weber (WB) Ley de Lenz Ley de Faraday Conocida tambien como la ley de la induccion electromagnetica. Establece que todo campo magnetico cuyo flujo magnetico a traves de un circuito cerrado varia en el tiempo induce en el circuito una fuerza electromotriz llamada fem inducida: Donde el signo negativo manifiesta que la fem inducida ,obedece a la ley de Lenz
  5. 5. Transformadores Perdidas de potencia de Relacion de transformación Se utilizan para transformar transformadores en un energía eléctrica de unatransformadoresmonofasico tensión determinada , en energía eléctrica de otra Por ser una maquina eléctrica tensión distinta a la anterior. estatica , presenta perdidas de potencia ,que tienen origen en el hierro del Nucleo y el cobre del bobinado Perdidas en el hierro Perdidas en el cobre Reluctancia Histeresis Lareluctancia magnética En electrotecnia se define la histéresis magnética como el El valor de de un material, es la retraso de la inducción esta potencia depen resistenciaque éste posee respecto al campo que lo crea de de la intensidad al verseinfluenciado por de corriente tanto en un campo magnético el bobinado primario como en el secundario, la cual varía mucho desde el funcionamiento en Corriente de vacío a plena carga. FolcautLas corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule.
  6. 6. Materiales Bobinas de primario, con nucleo Bobinas en U Sección del núcleo: 40x40 mm² Interface 3B Netlab Imanes Cables Computadora Fuente de alimentaciónuniversal con indicacióndigital parala tensión 3B NETlog™y la corriente (115 V, 50/60 Hz) Dimensión de tubo en mm Tubo de inducción con 6 bobinas (LxD): 1500 x 10/20 Ancho de las bobinas: 10 Soporte universal mm Distancia entre las bobinas: 19 cm Pinza universal Masa: aprox. 500 g Cables de experimentación Tensión de salida de CC : 0 − 20 V, 0 − 5 APotencia de salida: 100 W Estabilidad a plena carga: ≤0,01% + 5 mV, ≤0,2% + 5 mA Bobina secundaria 5 Dimensiones: aprox. tomas , 72 espiras 130x150x300 mm³ Resistencia 0.1Ω Masa: aprox. 4,7 kg Corriente máxima:12ª Inductancia 0.23mH
  7. 7. Procedimiento1. Con ayuda del soporte y la pinza universal colocar el tubo de inducción de tal manera que este quede completamente vertical2. Utilizando el interface como medidor de corriente (en las entradas IAin) conectarlo, con ayuda de los cables, al tubo de inducción. conectar la interface a PC. Observaciones : Conectamos la salida del interfaz al puerto USB de la PC ,encendemos el interfaz , y ahora el control será por software .
  8. 8. 3. Pulsar el botón test, para verificar la conexión con el equipo 3B NETlogtm.4. Configure el sensor a modo de entrada a DC y rango de entrada en 200mA.5. Pulsar el botón Entradas Ok.6. Para la toma de datos configurar el intervalo en 500 μs, y 1000 datos.7. Pulsar Iniciary, apenas se tenga la medición en marcha….dejar caer el imán a través del tubo .Guarde sus datos. Observaciones : Los parámetros que se añadió a la computadora son : 500ms y 10000 datos8. Repita el paso 7, invirtiendo la polaridad del imán .guarde sus datos. Observaciones : La grafica adjunta representa una función amortiguada , cuando soltamos el iman (con el norte abajo .Escogido arbitrariamente ), dentro del tubo que en su rebestimiento tiene seis bobinados . en la figura aparecen también 6 oscilaciones que es la corriente inucida en cada bobina . Figura 1
  9. 9. Observaciones: La grafica adjunta representa Cuando el iman cae en el interior del tubo , inmediatamente después del anterior experimento, solo que esta vez cambiamos la orientación del iman (el sur colocamos ahora en la parte inferior) Figura 2 Repetimos la experiencia con un iman de mayor longitud Observaciones La figura ajunta ,representa cuando el imanmas largo cae e norte , por el tubo rebestido de bobinas . Como el iman tiene mayor dimensión , entonces es mas intenso su campo magnético , por lo tanto mayor numero de líneas ingresa a la espira y rápidamente se induce corriente .Figura 3 Observaciones : De la figura adjunta representa ,la caída del iman cuando cae de sur, por el tubo rebestido de solenoide . Es muy notorio la diferencia y el tiempo es masprolongado , esto se asocia a la mayor longitud del iman. Tambien existe una inversión de inicio ,queesta relacionado con que polaridad caeFigura 4 el iman. Y el sentido de la corriente inducida en la bobina
  10. 10. Transformador9. Instale el transformador con fuente apagada, de acuerdo a la figura siguiente, conectando entre los terminales de 06 espiras la interface 3B NETlogtm como sensor de voltaje, configurado en modo de entrada V DCy rango de entrada 20 V. En un transformador reductor la resistencia eléctrica en el bobinado secundario es baja (200Ω),a comparación con la resistencia eléctrica en el primario (Ley de Poulliet), lo cual nos ayudaría a diferenciar del primario y el secundario.10. Encienda la PC, configure el intervalo de tiempo a 200 microsegundos y número de datos d 500.11. Pulse iniciar para realizar una medida con fuente apagada. Se obtuvo la siguiente figura con fuente apagada : Observaciones : Cuando esta apagado el transformador presenta una señal muy tenue , un ruido eléctrico , esto indica que apagado, el nucleo concentra el campo magnético , debido a la contaminación electromagnética del ambiente. Figura 5
  11. 11. 12. Anote el número de espiras de las bobinas y el voltaje mas el primario, encienda la fuente del transformador. Numero de bobinas en el primario : 600 Numero de bobinas en el secundario : 6 Bobinas13. Pulse restablecer, luego iniciar, realice ajuste de curvas y guarde sus datos. Se obtiene la señal sinusoidal en la salida : Observaciones : La señal es de naturaleza sinusoidal , el transformador no genera desfase, pero se muestra una ligera distorsion,eso implica que existe una fuente de ruido que se esta involucrando . Figura 6
  12. 12. 14. Cambie el sensor de voltaje a 30 espiras, pulse restablecer, luego pulse iniciar, realice el ajusté de curvas y guarde sus datos. Para este segundo caso , cambiamos la segunda bobina del secundario a 30 bobinas, Con 600 espiras en el secundario Se obtiene la siguiente grafica de la señal en el bobinado secundario : Figura 7
  13. 13. 15- Luego con el sensor colocado, movemos el iman axialmente al centro de la bobina fijay la grafica obtenida es : Figura 816 – Analogamente con el sensor colocado ahora movemos la bobina axialmentesobre eliman fijo , la grafica obtenida es la siguiente : Figura 9
  14. 14. Datos experimentales1. De acuerdo a los datos obtenidos en los pasos del 1 al 8 del procedimiento. Explique las variaciones de corriente, considere que el imán cae aceleradamente. ¿que sucede con la polaridad del imán? Al iniciar el experimento , cae de norte la barra de iman , la primera espira interactua con un campo magnético tenue , pero debido a la acción de la gravedad el tiempo de caída se vuelve mas pequeño ,lo cual según la ley de Faraday ,se incrementa considerablemente la tensión inducida ,esta tensión se incrementa conforma avanza en su caída libre el iman , por eso en la grafica se nota unas oscilaciones de amplitud creciente y también se ven 6 oscilaciones que corresponde a las seis bobinas . De igual forma cuando de inmediato invertimos el iman y dejamos caer en el interior del tubo ,al iniciar la primera oscilación lo hace de manera invertida , esto se debe a la polaridad del iman , y se comporta de la misma manera al caso anterior. La polaridad del iman se mantiene tal como estadefinido , la única manera de que pierda sus propiedades magnéticas es por medio de golpes y exponerlo a temperaturas elevadas. ¿Que ocurrirá con la corriente inducida si en vez del imán usado en el experimento, utilizamos imanes más intensos o másdébiles? Al utilizar imanes más intensos la corriente inducida aumenta (Debido a que mas líneas de flujo atraviesan la superficie de la espira ) ,el periodo se mantiene constante mientras que al someter un imán de campo más débil la intensidad de la corriente disminuye.2. ¿Cómo varia la corriente inducida sise hace pasar por lenta o muy rápidamente el imán por la bobina, a velocidad constante? La intensidad de la corriente inducida en una bobina,cuando un imánpasa con una mayor velocidad ,es de mayorintensidad,mientras al ser la velocidad tenue,La intensidad de corriente que se induce es infima ,contrastando con el caso anterior,Al poseer una velocidad constante la corriente inducida crecerá de manera proporcional a su velocidad .
  15. 15. 3. Con los datos medido en el paso 12 complete la siguiente tabla : Vrms Np Ns 216 600 6 De sus datos obtenidos en los pasos del 12 al 13 del procedimiento .escriba el voltaje ajustado para el secundario. V eficaz del primario = 220 Calcule el voltaje eficaz del secundario: Determinando el error porcentual del valor eficaz calculado al respecto a la salida teórica del transformador E% = (Vsexperi – Vsteo)/Vsteo*100% = 0.045 % Con sus datos calculados de Vrms del secundario y sus datos de la tabla .verifique la valides de la ecuación Entonces el Vpexperimental se aproxima al Vpteórico por lo que cumple la ecuación
  16. 16. 4. Determinar la frecuencia de a fem inducida y compare con la frecuencia de la bobina primaria (60 Hz) La frecuencia de la fem inducida es: 5. De los datos obtenidos en el paso 14 del procedimiento. escriba el voltaje ajustado para el secundario Vrms Np Ns 220 600 30 Calcule el voltaje eficaz del secundario: Determine el error porcentual del valor eficaz calculado respecto a la salida teórica del transformador Vs experimental = 11 =>( Vsteo – Vs experi )* 100 %/Vs teor= 0.8127Con los datos calculados de Vrms del secundario y sus datos de la tabla .verificar lavalidez de la ecuación => Vp = 218.21
  17. 17. Analisis de datos Para el caso del desplazamiento del iman en el interior de la bobina (ver grafico 1 ) , se deduce que cumplen de manera estricta la ley de Faraday ,mientras se acerca induce una corriente en un sentido y cuando se aleja tambien induce una corriente en sentido contrario esto ocurre en todas las espiras, esa es la explicacion por la cual la corriente inducida en la grafica es oscilante , la amplitud creciente de la funcion amortiguada esta asociada al menor tiempo con que atraviesa la espira , por accion de la gravedad . Para el caso del transformador de multiples salidas, y sin alimentarlo cuando aplicamos el sensor de voltaje,figura una señal (figura 5 ),esta señal viene a ser la corriente de Folcaut, que generalmente se queda inmerso en el nucleo de hierro .por el cual genera perdidas de eficiencia mediante disipacion de calor ,sin embargo tambien tiene un aspecto positivo , que _ sirve como un buen amortiguador a oscilaciones molestas En el caso de los tranformadores .figura una diferencia entre el valor teorico y experimental que se representa e la siguiente tabla: Valor eficaz Valor eficaz experimentalde Eficiencia del teoricp de tension en el secundario transformador frecuencia tension en el secundarioTransformador 2.2V ef 2.75±0.08/1.41 =1.94Vef 88.18 % 59.93 Hz de 600 a 6Transformador 11 Vef 14.81±0.06/1.41=10.51Vef 95.8% 59.9Hz de 600 a 30Analizando en el transformadores de 600/6( Fig6 y Fig 7). Una eficiencia del 80.18% .estadiferencia lo podemos asociar porperdidas en el nucleo ,por la reluctancia del material . laresistencia de los bobinados,y tambien a la incertidumbre del instrumento ,como la malaergonomia al momento de colocar el sensor.
  18. 18. En el caso del otro transformador ,manifiesta una perdida de energia , esta perdida deenergia se debe a la energia acumulada por el bobinado del primario y del secundariodebido a la inductancia que representa , mas las perdidas por resistencia electricas .La frecuencia de la red se aproxima a la nominal que es de 60 Hz, para nuestraexperiencia es tolerable, ya que no manipulamos variables criticas, sin embargo estacaracteristica puede ser determinante cuando se trabaja en equipos mas sensibles , comoel caso de equipos biomedicos. O cuando deseamos hacer alguna investigacion especificadonde involucra esta señal . es por eso que en la actualida se usan los estabilizadores,porque garantiza una señal de la red optima .Con respecto a la figura 7 y figura 8 , enla experiencia cuando realizamos un movimientoaxial del iman hacia el transformador , se cumple la ley de lenz .Al acercar el iman al bobinado el flujo en las espìras del bobinado aumentan, entonces seinduce una corriente electrica en opocicion al flujo que se incrementa, deacierdo a laregla de la mano derecha . la corriente tiene una polaridad incial .Pero cuando alejamos el iman, el flujo se atenua , entonces la corriente inducida en lasespiras de la bobina es tal que tiene un sentido a favor del flujo decreciente , (aplicando laregla de la mano derecha), por tal efecto la polaridad se cambia , es por eso que en lagrafica (Fig 8), figura una inversion de fase.Analogamente cuando mantenemos el iman fijamente y aproximamos la parte hueca delbobinado al iman . se induce una fem . la explicacion es la misma, se cumple la ley delenz. Ahora si realizamos estos movimientos de maneras mas rapidas la fem es mayor , laexplicacion nos las da la Ley de faradayUna aplicación de este flujo variante, es en las alas de los aviones ,cuando termina unvuelo , en sus alas se induce fem , debido a que interactua con el campo magneticoterretres , y esta carga estatica puede ser agente de ignicion a los almacenes decombustible .
  19. 19. Cuestionario 1. Explique el funcionamiento de los generadores de corriente que transforman energía mecánica en energía eléctrica Generadores de Corriente alternaLa mayor parte de la energia electrica utilizada actualmente se producemediante generadores electricos en forma de corriente alterna (ca),Unsimple generador de corriente alterna esta formado por una espira enrotacion dentro de un campo magnetico uniforme :
  20. 20. Los extremos de la espira estan conectados a unos anillos deslizantes que giran con laespira. El contacto eléctrico con la espira se realiza mediante escobillas estacionarias degrafito en contacto con los anillos cuando la línea perpendicular al plano de la espiraforma un anguloθ. Con un campo magnético uniforme B ,el flujo de la espira es :Siendo N el numero de vueltas de la bobina y A el área de la misma .Cuando la bobina giramecánicamente, el flujo a su travez cambia con el tiempo y según la Ley de Faraday , seinducirá en la bobina una fem,Si el angulo inicial es α, al cabo de cierto tiempo t el anguloserá :En donde W es la frecuencia angular de rotación .sustituyendo esta expresión de θLa fem en la bobina será , por tanto
  21. 21. Existen mecanismos que hacen posible tomar la energía potencial de la caídadel agua ,la combustión y transmitir este movimiento a las espiras que semoverán en el campo magnético uniforme .y de esta forma generar unatensión alterna , dentro de estos tenemos un gran espectro declacificaciones , lo mas resaltante son : En la figura adyacente se muestra ungrupo electrógeno , que mueve un generador eléctrico a travez de un motor de combustión interna , en la parte inferior se muestan las características técnicas
  22. 22. ConclusionesLa ley de Lenz sólo se cumple en circuitos cerrados en donde exista un movimientorelativo entre un campo magnético y un conductor, demostrando que la f.e.m. y lacorriente inducidas tienen un sentido tal que tienden a oponerse a la variación quelas originaLa fem inducida en un circuito cerrado es inversamente proporcional al tiempo enque es expuestoen un campo magnetico .Los elementos diamagnéticos atenúan los efectos de un campo magnético externo,este proceso se denomina “Apantallado”; elementos diamagnéticos como elbismuto ,cobre ,bronce , azufre ,silicio ,germanio y gases nobles.Para proteger equipos que controlan variables sensibles, equipos biomédicos porejemplo, es imprecindible el apantallado, para aislar magnéticamente.La relacionde transformación es inversa en caso de las corrientes ,yla frecuenciade red se altera con un valormuy infimo ( orden de las decimas ) en el secundario.esto se debe a la inductancia en los bobinado, que genera un desfase de maneraimplícitaa la señal de red .Los transformadores estudiados en laboratorio proporcionan un aislamientocaracterístico, idóneo para aislar distintas etapas, (por ejemplo el circuito decontrol y circuito de potencia ).La tensión en el secundario ,envacio,es mayor a comparación con el bobinadosecundario a plena carga .debido a que presenta un factor de potencia.Las perdidas en potencia ,se origina por el efecto joule debido a la resistencia elcobre , la corriente e Folcaut,la reluctancia que presenta el nucleo de hierro y elflujo de dispersion debido a que generan autoinductancia en el bobinado primarioy secundarioConociendo el funcionamiento y componentes del Transformador, es de granimportancia realizar una metodología de pruebas para Transformadorespara evitar pérdidas, fallas en el equipo y en sistemas eléctricos, puesasíaseguramos un correcto funcionamiento y una larga vida útil para los mismos,ya que de nada sirve colocar una gran estructura y buenos cálculos cuando laparte operativa del Transformador no se encuentra en buen estado.Concluyendo se pueden tener mejoras y grandes beneficios fortaleciendo eldesarrollo de técnicas sistematizadas, estableciendo pruebas que se realizan encampo para determinar la calidad de los materiales que componen alTransformador.
  23. 23. Recomendaciones y sugerenciasAl realizar el experimento se tuvo la dificultad de que el interfaz 3B Netlog, no sensaba laseñal, a pesar que se colocaba en reset y cambiaba de puerto, lo sugiero una reparaciónde tal equipo.Es necesario que al momento de realizar el experimento de Faraday, los celulares esténapagados porque genera ruido eléctrico en el laboratorio.BibliografíaTipler | mosca ,física para la ciencia y la tecnología 6 ° edición. Vol. 2Física Universitaria Sears &Zemansky 12Ed - Vol 2Electrostatica y Magnetismo , Humberto Leiva Naveros.

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