Código: FIS-1033-05 ©Ciencias Básicas
Laboratorio de Física Eléctrica Universidad del Norte - Colombia
Adrián Alberto Fernández Cabrera
adrianf@uninorte.edu.co
Ingenieria Electronica
Andrea Zogby Nuñez
azogby@uninorte.edu.co
Ingeniería Mecánica
Carlos Mario Ocampo Yepes
carlosy@uninorte.edu.co
Ingeniería Mecánica
Abstract
This experience is based on the use of magnetic field sensor to measure the magnetic field flow density of a small iman while the distance between the sensor and the iman is changing.
Resumen
Esta experiencia esta basada en la utilización del sensor de Campo Magnético para medir la densidad del flujo del campo magnético de un pequeño imán a medida que la distancia entre el imán y el sensor varía.
Introducción
Esta experiencia es realizada con el propósito de medir y analizar la densidad del flujo del campo magnético generado por un imán permanente, para analizar las características del campo antes mencionado y por ultimo estudiar la relación existente entre la magnitud del campo magnético y la distancia a la cual se realiza su medición.
Objetivos
General
Determinar las características físicas del campo magnético de un imán permanente.
Específicos
1. Determinar la dirección del vector campo magnético generado por un imán permanente.
2. Determinar cómo varía la magnitud del campo magnético de un imán permanente respecto.
Marco teórico
Campo magnético
La interacción magnética básica es la que existe entre dos cargas en movimiento. Lo mismo que sucede con la interacción electrostática, es conveniente considerar que la fuerza magnética ejercida por una carga móvil (corriente) sobre la otra, se transmite mediante un tercer agente, que es el campo magnético. Una carga en movimiento produce un campo magnético y este campo a su vez ejerce una fuerza sobre otra segunda carga móvil. Puesto que la una carga móvil constituye una corriente eléctrica, la interacción magnética puede considerarse también una interacción entre dos corrientes.
Líneas de campo magnético en un imán
Es costumbre indicar la dirección de la inducción magnética B dibujando líneas que sean paralelas a B en cada punto del espacio e indicando el modulo de B por la densidad de las líneas, igual que se hizo en el caso del campo eléctrico E. Estas líneas se denominan líneas de inducción magnética. En el caso de una inducción magnética B, pueden hallarse las líneas utilizando una aguja de una brújula o limaduras de hierro puesto que estos pequeños imanes se alinean por si mismos en la dirección y sentido de B. Exteriormente al imán, las líneas de B salen del polo norte y entran por el polo sur. Esto esta de acuerdo con el hecho de que la fuerza sobre un polo norte esta en la dirección y sentido de B y que dos polos norte se repelen entre si.
Características de la fuerza magnética
• La fuerza es proporcional al valor de carga q
• La fuerza es proporcional al modulo de la velocidad v
• El valor, dirección y sentido de la fuerza depende de la dirección y sentido de la velocidad v
• Si la velocidad de una partícula esta dirigida a lo largo de una determinada línea del espacio, la fuerza es cero.
• Si la velocidad no esta dirigida a lo largo de esta línea, existe una fuerza que es perpendicular a la misma y es también perpendicular a la velocidad.
• Si la velocidad forma un ángulo θ con esta línea, la fuerza es proporcional al sen de dicho ángulo θ
• La fuerza sobre una carga negativa es de sentido opuesto a la ejercida sobre una carga positivo con la misma velocidad.
El efecto Hall
La fuerza se transfiere al alambre por las fuerzas que enlazan los electrones con el conductor en la superficie. Puesto que los portadores de carga por si mismos experimentan la fuerza magnética cuando un conductor por el que circula corriente esta en el interior de un campo magnético, los portadores se ven acelerados hacia un lado del conductor. A este fenómeno se le llama efecto Hall.
Procedimiento experimental.
Configuración del ordenador
1. Conectamos el interfaz de ScienceWorkshop al ordenador, encendimos el interfaz y luego encendimos el ordenador.
2. Conectamos la clavija DIN del sensor de Campo Magnético al Canal Analógico A del interfaz.
3. Abrimos el archivo titulado: Data Studio
4. La recogida de datos estuvo fijada en 10 Hz. El ‘Muestreo por Teclado’ nos permitió introducir la distancia en metros.
Calibración del sensor y montaje del equipo.
2. Conectamos la clavija DIN del sensor de Campo Magnético al Canal Analógico A del interfaz.
3. Abrimos el archivo titulado: Data Studio
4. La recogida de datos estuvo fijada en 10 Hz. El ‘Muestreo por Teclado’ nos permitió introducir la distancia en metros.
Calibración del sensor y montaje del equipo.
1. No se necesitó calibrar el sensor de Campo Magnético. Situamos la cinta métrica sobre una superficie lisa alejada del ordenador.
2. Situamos el sensor de Campo Magnético de modo que su extremo coincidía con la marca “0” de la cinta métrica. Antes de realizar cualquier medición con el sensor, nos aseguramos de “tararlo” para eliminar la histéresis en la sonda.
3. Seleccionamos la Posición “RADIAL” en el sensor y lo colocamos a una distancia de 3 cm y anotamos el resultado.
4. Seleccionamos “AXIAL” presionando el interruptor de Selección de Campo en la parte superior del sensor y realizamos una nueva medición.
5. Dejando el sensor en la posición “AXIAL”, alejamos el imán del sensor. Pusimos a cero el sensor de Campo Magnético presionando el botón “TARE” en la parte superior del sensor.
6. Iniciamos con el sensor a 3 cm del extremo del imán.
Toma de datos
1. Comenzamos la toma de datos. En DataStudio, situamos la tabla de modo que podía verse claramente. Hicimos clic en el botón ‘Start’. La medida de la intensidad del campo magnético aparecía en la primera celda de la tabla. Comprobamos que la intensidad era positiva.
2. Alejamos el imán otros 5 mm de modo que esté a 3.5 cm del sensor.
‘Keep’ en DataStudio
3. Repetimos el procedimiento alejando el imán del sensor en incrementos de 5 mm, y registrando los valores obtenidos hasta que la intensidad del campo magnético no varíe al incrementar la distancia.
4. Finalizamos la recogida de datos.
Datos Obtenidos
Grafica obtenida por medio de la medicion AXIAL:
2. Situamos el sensor de Campo Magnético de modo que su extremo coincidía con la marca “0” de la cinta métrica. Antes de realizar cualquier medición con el sensor, nos aseguramos de “tararlo” para eliminar la histéresis en la sonda.
3. Seleccionamos la Posición “RADIAL” en el sensor y lo colocamos a una distancia de 3 cm y anotamos el resultado.
4. Seleccionamos “AXIAL” presionando el interruptor de Selección de Campo en la parte superior del sensor y realizamos una nueva medición.
5. Dejando el sensor en la posición “AXIAL”, alejamos el imán del sensor. Pusimos a cero el sensor de Campo Magnético presionando el botón “TARE” en la parte superior del sensor.
6. Iniciamos con el sensor a 3 cm del extremo del imán.
Toma de datos
1. Comenzamos la toma de datos. En DataStudio, situamos la tabla de modo que podía verse claramente. Hicimos clic en el botón ‘Start’. La medida de la intensidad del campo magnético aparecía en la primera celda de la tabla. Comprobamos que la intensidad era positiva.
2. Alejamos el imán otros 5 mm de modo que esté a 3.5 cm del sensor.
‘Keep’ en DataStudio
3. Repetimos el procedimiento alejando el imán del sensor en incrementos de 5 mm, y registrando los valores obtenidos hasta que la intensidad del campo magnético no varíe al incrementar la distancia.
4. Finalizamos la recogida de datos.
Datos Obtenidos
Grafica obtenida por medio de la medicion AXIAL:
Grafica Obtenida por medio de la medicion RADIAL:
Análisis y discusión de resultados
Pregunta 1: Según los resultados de la primera medición. ¿Qué dirección tiene el campo magnético generado por el imán?
El campo magnético generado por el imán sale desde su polo norte entrando en el polo sur del mismo. Cabe recordar que las líneas de campo magnético son líneas son cerradas y continuas y que el campo magnético es tangente a estas líneas en determinado punto.
Pregunta 2: ¿Qué relación existe entre la magnitud del campo magnético y la distancia a la cual se realiza la medición?
Como bien se sabe el campo eléctrico es inversamente proporcional a la distancia de prueba, por tal motivo al aumentar la distancia entre el imán y el sensor de medición, la medida registrada será menor comparada con la misma medición disminuyendo la distancia entre los dos.
Pregunta 3: ¿Al aumentar la distancia del imán ¿en que forma varía la intensidad el campo magnético?
El campo magnético es inversamente proporcional a la distancia en la que se encuentre la carga de prueba. Por tal motivo al aumentar dicha distancia, el campo magnético percibido disminuirá dicha proporción. Cabe resaltar que el campo magnético es, al menos teóricamente hablando, infinito en su distancia de acción, pero experimentalmente se concluye que dependiendo del imán o de la fuente de dicho campo este se hace cero a grandes distancias de prueba.
Pregunta 4: Si se colocara una placa metálica entre el imán y el sensor ¿se bloquea el campo magnético?
No, el campo magnético se ve reducido pues este atrae al metal, entonces algunas líneas de campo que comienzan en el imán terminarían en la placa metálica impidiendo que estas continúen su trayectoria hasta el sensor; por ende, el sensor tendría una lectura errada del valor real del campo. El valor percibido por el sensor seria menor que el real, pero esto no quiere decir que la placa metálica bloquee el campo, pues hacer esto es hasta ahora imposible.
Pregunta 5: ¿Por qué se sugiere en el experimento que la medición se realice lejos del monitor del PC y de la interfaz?
El monitor y el PC poseen en su interior para su funcionamiento partes magnéticas como imanes. Estos imanes generan un campo magnético distinto al del experimento que es el que queremos medir, y es imposible aislar su acción magnética por completo. Por consiguiente las mediciones deben hacerse en puntos donde el único campo percibido por el sensor sea el que se quiere percibir, es decir, el del imán. Para esto es necesario hacer las mediciones en puntos lejanos de la interfaz y del PC. Además es recomendable los objetos magnéticos de los dispositivos electrónicos aislados de otros campos (como el del imán del laboratorio) para evitar futuros daños y mantener un ideal funcionamiento.
Conclusiones.
Con esta experiencia podemos concluir que las propiedades de las líneas de campo antes mencionadas siempre se cumplen ya que pudimos evidenciar fácilmente propiedades como que la dirección del campo en un punto dado, es la dirección de la tangente a la línea del campo, las líneas de campo eléctrico comienzan en las cargas positivas y terminan en las negativas, que las líneas de campo nunca se cruzan y la relación existente entre el campo magnético y la distancia desde el imán hasta el objeto de ensayo (inversamente proporcionales).
Referencias bibliográficas.
1. J. Wilson y A. Buffa, Física, 5ta Edición, Pearson Education (2003).
2. Paul G. Hewitt, Conceptos de Física, Edición en español, Limusa Noriega Editores (1999). 3. A. Olivos y D. Castro, Física electricidad para estudiantes de ingeniería, 1ra Edición, Ediciones Uninorte (2008)
4. Paul A. Tipler, Física Vol.II, Edición en español, Editorial Reverté S.A. (1984)
5. www.angelfire.com/empire/seigfrid/Lineasdecampoelectrico.html
