Campo Magnético de un Solenoide

Objetivos

  • Medir el campo magnético a lo largo del eje interior de un solenoide en función de la posición sobre dicho eje.
  • Esquematizar las líneas de campo magnético en el interior de un solenoide.
  • Hallar experimentalmente la relación entre la intensidad del campo magnético y la corriente aplicada al solenoide.

Fundamentación

Las primeras fuentes conocidas del magnetismo fueron los imanes permanentes. Un mes después de que Hans Christian Oersted anunciase su descubrimiento acerca de la desviación de la aguja de una brújula por la acción de una corriente eléctrica, Jean Baptiste Biot y Felix Savart describieron los efectos del campo magnético sobre conductores largos por los que circula corriente. André Marie Ampère amplió estos experimentos y demostró que los propios elementos de corriente experimentan una fuerza en presencia de un campo magnético.

Si examinamos el interior de un timbre, un transformador, un motor eléctrico o un electroimán, hallaremos bobinas de alambre con un gran número de espiras, con una separación muy pequeña entre ellas. Las bobinas o solenoides se usan para producir un campo magnético intenso y uniforme en la región rodeada por sus espiras.

Un solenoide o bobina consiste en un devanado helicoidal de alambre sobre un cilindro, por lo regular de sección transversal circular. Puede tener cientos o miles de espiras muy próximas unas de otras. Se utiliza una corriente para establecer un campo magnético en las bobinas de este tipo. Dado el importante rol que juegan en sistemas de control automático y otras aplicaciones, vale la pena deducir y medir el campo magnético generado por esta configuración.

En esta práctica usará el sensor de campo magnético para apreciar la variación del campo magnético a lo largo del eje interior de un solenoide y cómo depende de la intensidad de corriente a través del solenoide.

Equipo requerido

  • Interfaz ScienceWorkshop
  • Sensor de campo magnético
  • Escuadra
  • Pasta limpiatipos
  • Calibrador
  • Cables de conexión
  • 2 solenoides
  • Resistencia de 100 Ohmios
  • Banco de altura graduable
  • Soporte universal y nuez

Procedimiento

Parte I. Configuración de la interfaz y el sensor

1. Conecte la interfaz ScienceWorkshop al computador y enciéndala.

2. Conecte el sensor de campo magnético en uno de los canales analógicos de la interfaz.

3. El sensor de campo magnético tiene ganancias de 1x, 10x y 100x. Para la intensidad del campo a medir, será adecuada una ganancia de 10x.

4. Conecte el amplificador de potencia a uno de los canales analógicos de la interfaz y enciéndalo.

5. Ejecute el programa DataStudio.

6. Instale el sensor de campo magnético, seleccionando en el programa la ganancia de 10x.

7. Defina la medida de intensidad de campo magnético, verificando las unidades que empleará para esta variable.

8. Instale el amplificador de potencia en el canal correspondiente.

9. Al asociar el amplificador de potencia aparecerá la ventana del Generador de señal.

Configure el generador para que produzca voltaje de corriente continua. Lleve el valor de voltaje al máximo y deshabilite las medidas de voltaje y corriente de salida. Deje habilitada la opción Auto, de manera que el generador sólo funcionará mientras se están tomando las medidas.

Regrese a la configuración del Amplificador de potencia y seleccione la medida de corriente.

Solenoide1.JPG

10. En la primera parte tendremos que introducir manualmente medidas de posición. Para registrarlas, haga clic en el botón Opciones de muestreo. Seleccione la opción Conservar datos sólo si se solicita y habilite las demás opciones disponibles (Escribir valor con el teclado… y Solicitar un valor).

Solenoide2.JPG

Escriba un Nombre para la variable y defina las unidades con las que reportará la posición.

11. Cree un gráfico Intensidad de campo magnético vs. posición.

Parte II. Configuración del equipo

1. Antes de empezar el experimento tome las siguientes medidas para los solenoides suministrados:

  • Número de espiras
  • Longitud (asegúrese de que mide solo la región de las espiras)
  • Diámetro interno

2. Realice el circuito indicado en el diagrama haciendo el montaje como se muestra en la fotografía.

Solenoide3.JPG

3. Monte el solenoide y el sensor de campo magnético como indican las figuras, buscando que este se encuentre entre 1 – 1,5 cm por encima del solenoide cuando el banco esté en la posición más baja y que alcance su centro en la posición más alta. De ser necesario, use pasta limpiatipos para mantener vertical el solenoide.

Solenoide4.JPG

Parte IIIa. Campo magnético en el interior de un solenoide a lo largo del eje axial

1. Quite por un momento el sensor y seleccione la medida de la componente Axial usando el interruptor previsto para tal fin.

2. Aleje el sensor de cualquier fuente de campo magnético y póngalo en cero oprimiendo el botón Tare. Coloque de nuevo en su lugar el sensor de campo magnético.

3. Eleve el banco hasta que el extremo del sensor se encuentre en el centro del solenoide. Verifique que el sensor se encuentra sobre el eje axial del solenoide.

4. Inicie la toma de datos.

5. Registre el primer valor presionando el botón Conservar. Escriba la posición en el cuadro de diálogo que aparecerá a continuación.

6. Baje lentamente el solenoide y registre el valor del campo magnético cada 0,5 cm hasta una distancia de 1,5 cm por fuera del solenoide.

7. Detenga el registro de medidas.

Solenoide5.JPG

8. Quite de nuevo el sensor, aléjelo de cualquier fuente de campo magnético y seleccione la medida de campo Radial usando el interruptor del sensor.

9. Ponga en cero el sensor oprimiendo el botón Tare. Coloque el sensor de campo magnético de nuevo en su lugar.

10. Tome medidas de la componente radial del campo magnético para medidas cada 0,5 cm a partir del centro del solenoide hasta 1,5 cm por fuera de él.

11. Opcional. Repita este procedimiento para otro solenoide.

Parte IIIb. Campo magnético en el interior de un solenoide como función de la corriente

1. En la ventana de Configuración haga clic en el botón Opciones de muestreo. Mantenga activa la opción Conservar datos sólo si se solicita y deshabilite las demás opciones disponibles (Escribir valor con el teclado… y Solicitar un valor).

2. Cree un gráfico Intensidad de campo magnético vs. corriente.

3. Aleje el sensor de cualquier fuente de campo magnético, seleccione la medición de la componente Axial del campo y oprima el botón Tare. Ponga el sensor de campo magnético de nuevo en su lugar.

4. Eleve el banco hasta que el extremo del sensor se encuentre en el centro del solenoide. En este caso el solenoide se mantendrá fijo en esta posición.

5. Con el control del generador de señal lleve el valor de voltaje a cero.

6. Inicie la toma de datos.

7. Registre las medidas de campo magnético como función de la corriente para pasos de 0,5 V desde cero hasta el valor máximo de voltaje.

8. Detenga el registro de datos.

9. Repita los pasos anteriores para otro solenoide.

Análisis

No responda las preguntas que se dan a continuación como un cuestionario Pregunta/Respuesta. Empléelas como una guía para desarrollar su análisis de una manera fluida, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.

Parte IIIa. Campo magnético en el interior de un solenoide a lo largo del eje axial

1. ¿Cómo varían las componentes axial y radial del campo magnético a medida que se aleja del centro del solenoide?

2. A partir de los datos tomados realice una tabla como la que se muestra. ¿Cómo cambia la relación Bradial/Baxial? Sugerencia: Obtenga estos valores arrastrando los datos de intensidad de campo magnético vs. posición hacia la opción Tabla en la ventana de Pantallas.

Solenoide6.JPG

3. En la práctica se registraron las componentes axial y radial del campo magnético para medio solenoide. Haga una gráfica de dichas componentes para el solenoide completo.

4. Haga un esquema del vector de campo magnético en cada posición usando los valores de las componentes axial y radial de un extremo a otro del solenoide.

Parte IIIb. Campo magnético en el interior de un solenoide como función de la corriente

1. ¿Cómo varía la componente axial del campo magnético en el centro de la bobina como función de la corriente para los dos solenoides?

2. ¿En cuál de los dos solenoides es más cercano este comportamiento al esperado a partir de la teoría? ¿Por qué?

3. Encuentre la permeabilidad magnética del vacío (Uo) y su incertidumbre relativa a partir del análisis de las gráficas para cada solenoide.

4. Compare el valor hallado con el dado por definición para Uo.

Bibliografía

Aníbal Mendoza Pérez, Luis Ripoll Morales, Juan Miranda Crespo. Física Experimental – Electricidad y Magnetismo. 2ª edición, revisada y aumentada. Ediciones Uninorte, Barranquilla, 2005.
C. R. Nave. Hyperphysics, 2005. Solenoids as magnetic field sources.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/solenoid.html
Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna, volumen 2. Undécima edición, Pearson Educación, México, 2005.
Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología, volumen 2. Reverté, Barcelona, 2005.

PASCO Scientific. Activity P58: Magnetic Field of a Solenoid (Magnetic Field Sensor, Power Amplifier).
P58 Solenoid.doc

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License