FÍSICA II Trabajos Prácticos de Laboratorio
LEY DE FARADAY - FUERZA ELECTROMOTRIZ Objetivos del trabajo: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Verificar la Ley de Faraday. Generar una fuerza electromotriz de corriente alterna. Generar una fuerza electromotriz de corriente continua. Realizar mediciones y tabular los valores registrados. Visualizar la variación de las fuerzas electromotrices en el osciloscopio.
Materiales a utilizar: 1. Un generador experimental constituido por: a) un núcleo de campo de acero macizo en forma de U con dos polos; b) una bobina de campo de 3.600 vueltas y 150 Ω; c) un rotor de inducido con dos polos salientes laminados de acero silicio y dos arrollamientos; d) dos anillos rozantes conectados a los arrollamientos para colectar corriente alterna; e) un conmutador de dos delgas conectadas a los arrollamientos para colectar corriente continua. 2. Una fuente de alimentación de corriente continua variable de 0 a 25 V. 3. Un motor impulsor de corriente alterna con colector (6.000 rpm, 50 W y Umáx = 220 V), provisto de caja de conexiones con interruptor. 4. Un reóstato de 0 a 320 Ω e Imáx = 1,5 A. 5. Una correa para impulsar el generador. 6. Un voltímetro de corriente alterna de 0 a 50 V. 7. Dos voltímetros de corriente continua de 0 a 50 V. 8. Un osciloscopio.
Fundamentos teóricos: La ley de Faraday establece que “la f.e.m. inducida en un circuito es numéricamente igual a la derivada respecto al tiempo, cambiada de signo, del flujo que lo atraviesa”:
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Ing. Sandra Silvester e Ing. Raúl Villoria
FÍSICA II Trabajos Prácticos de Laboratorio Esta ley es aplicable a cualquier circuito a través del cual se produce una variación de flujo por un medio cualquiera, aunque no haya movimiento de ninguna parte del circuito, como es el caso de la figura 1.
(a) (b)
Fuerza electromotriz inducida en un cuadro de rotación:
AL VARIAR LA CORRIENTE DEL CIRCUITO
(a), VARÍA EL FLUJO MAGNÉTICO QUE ATRAVIESA EL CIRCUITO (b). Figura 1
El fundamento de la forma actual de un generador de corriente alterna o alternador, se observa en la figura 2. Un cuadro rectangular de N espiras y superficie A = n x m, gira alrededor
O n m
S
B
S O
FUNDAMENTO DE LA DÍNAMO Figura 2
de un eje OO que es perpendicular a un campo magnético uniforme cuya densidad de flujo es B. Los terminales del cuadro están conectados a anillos rozantes S-S, concéntricos con el eje del cuadro y que pueden girar con él, pero aislados entre sí. Escobillas apoyadas contra estos anillos conectan el cuadro al circuito exterior. El cuadro está devanado sobre un rotor cilíndrico de hierro silicio laminado, llamándose inducido al conjunto cuadro-cilindro. El instante en que el plano de la bobina forma un ángulo α con la normal al campo, como se observa en la figura 3, el flujo que atraviesa el cuadro es:
α 2
Ing. Sandra Silvester e Ing. Raúl Villoria
FÍSICA II Trabajos Prácticos de Laboratorio α
α
α
Sabemos que:
ω.m/2
ω = dα/dt
B
O
⇒ velocidad angular
Para N espiras:
ω.m/2
α Figura 3
α = ωt = 2πf t
ε=
GRÁFICA DE LA FEM ALTERNA INDUCIDA EN EL CUADRO ε DE LA FIGURA 2 εmáx
εmáx =
NABω
ε = εmáx
t
εmáx
N A B ω sen ωt
a
sen ωt
Esta ecuación se ha representado gráficamente en la figura 4.
Figura 4
Generador de corriente continua: Puede obtenerse f.e.m. de un solo sentido conectando cada terminal del cuadro a la mitad de un anillo partido llamado colector o conmutador, tal como se representa en la figura 5.
O
C
B
O
ANILLO COLECTOR PARTIDO PARA OBTENER FEM DE UN SOLO SENTIDO Figura 5
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FÍSICA II Trabajos Prácticos de Laboratorio En el instante en que se invierte en el cuadro la f.e.m., se intercambian las conexiones al circuito exterior. De esta manera, la f.e.m. entre los terminales, aunque pulsante, tiene siempre el mismo sentido. En la práctica, se obtiene una f.e.m. ε más uniforme disponiendo un gran número de cuadros (uniformemente espaciados y con N espiras cada uno)
t
FEM DE UN SOLO SENTIDO OBTENIDA CON UN INDUCIDO COMPUESTO DE 6 CUADROS CON 12 SEGMENTOS CONMUTADORES O DELGAS Figura 6
sobre el inducido y poniendo en contacto cada cuadro con su propio par de segmentos de conmutación. Las escobillas hacen conexión con las espiras de cada cuadro durante un tiempo muy corto, que corresponde al instante en que la f.e.m. se encuentra próxima a su valor máximo, como se observa en la figura 6.
Procedimiento: 1. Colocar la correa del conjunto motor impulsor-generador. 2. Conectar el reóstato a la caja de conexiones del motor-generador y la caja de conexiones a la línea de 220 V. 3. Verificar que al deslizar el reóstato, previo accionamiento del interruptor, varía la velocidad de rotación del equipo. Variando la velocidad angular ω del generador, se modifica el valor de εmáx = N A B ω. 4. Conectar la fuente de corriente continua y un voltímetro a la bobina de campo del generador (la tensión máxima admisible es de 40 V). La corriente de esta bobina se llama corriente de excitación y se puede variar de 0 a 300 mA. Variando la corriente de excitación, se modifica la inducción B y consecuentemente εmáx. 5. Colocar las escobillas del generador en los anillos rozantes para colectar corriente alterna e instalar un voltímetro en los bornes del generador. Accionar el equipo variando la velocidad angular y la excitación del generador. Verificar que la f.e.m. generada (valor eficaz) se modifica con la variación de la velocidad. Establecer una velocidad constante y medir las tensiones generadas para distintos valores de la tensión de excitación. Tabular los valores obtenidos. Visualizar la forma de onda en el osciloscopio. 4
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FÍSICA II Trabajos Prácticos de Laboratorio 6. Colocar las escobillas en las delgas del conmutador para colectar corriente continua y repetir todas las operaciones del punto 5. En este caso se instalará un voltímetro de corriente continua en los bornes del generador. NOTA: La forma de onda no es exactamente sinusoidal porque nuestro generador experimental, diseñado para facilitar la enseñanza, no tiene en realidad un inducido totalmente cilíndrico ni el campo magnético es estrictamente paralelo y uniforme. Además, según el teorema de Fourier, la corriente continua generada se descompone en una componente continua constante (que es la que mide el voltímetro de corriente continua), una componente alterna fundamental y varias componentes alternas armónicas (cuyo valor eficaz conjunto puede medirse con un voltímetro de corriente alterna). TABLA DE VALORES CORRIENTE ALTERNA CORRIENTE CONTÍNUA MEDICIÓN EXCITACIÓN F.E.M. MEDICIÓN EXCITACIÓN F.E.M.
nº 1 2 3 4 5 6
Vcc
Vca
nº 1 2 3 4 5 6
Vcc
Vcc
Como orientación general, se destaca que para una velocidad del motor impulsor obtenida con el reóstato al 85 % y una tensión en la bobina de campo de 14,5 Vcc, se obtienen en los bornes del generador 6,2 Vca. En iguales circunstancias, pero conectando ahora el conmutador de dos delgas a las escobillas, se obtienen 5,45 Vcc y 4,1 Vca (armónicos).
Material fotográfico ilustrativo: REÓSTATO
MOTOR IMPULSOR
SIN USO MOTOR IMPULSOR
CORREA GENERADOR GENERADOR BOBINA DE CAMPO
CAJA DE CONEXIONES
VOLTÍMETRO
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NÚCLEO MACIZO EN FORMA DE “U”
CAJA DE CONEXIONES
GENERADOR DESMONTADO
VISTA LATERAL DEL GENERADOR
BOBINAS DE INDUCIDO
POLOS DE CAMPO
ENDUCIDO (ROTOR)
CONMU‐ TADOR DE 2 DELGAS
ANILLOS ROZANTES
GENERADOR DESMONTADO
MONTAJE DEL GENERADOR SOBRE EL NÚCLEO DE ACERO MACIZO “U” PERNOS DE FIJACIÓN
POLO DEL INDUCIDO
ESCOBILLAS
ESCOBILLAS
BORNES DEL GENERADOR PORTAESCOBILLAS
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1/2 CICLO
F.E.M. DE CORRIENTE ALTERNA
F.E.M. DE CORRIENTE CONTINUA
ESQUEMA DE MONTAJE OSCILOSCOPIO
V (1)
(2)
REÓSTATO
GENERADOR
F
N PAT
BOBINA DE CAMPO
MOTOR IMPULSOR
V
FUENTE C.C. VARIABLE
mA
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