Fuerza Magnética
El campo
magnético B se define de la ley de la Fuerza de Lorentz, y específicamente de la fuerza
magnética sobre una carga en movimiento:
Las
impliacciones de esta expresión incluyen:
1. La fuerza
es perpendicular a ambas, a la velocidad v de la carga y al campo magnético B.
2. La magnitud
de la fuerza es F = qvB senθ donde θ es el ángulo < 180 grados entre la
velocidad y el campo magnético. Esto implica que la fuerza magnética sobre una
carga estacionaria o una carga moviéndose paralela al campo magnético es cero.
3. La
dirección de la fuerza está dada por la regla de la mano derecha. La fórmula de la fuerza de arriba
está en forma de producto vectorial.
Cuando se
aplica la fórmula de la fuerza magnética a un cable portador de corriente, se debe usar la regla de la mano
derecha, para determinar la dirección de la fuerza sobre el cable.
De la fórmula
de la fuerza de arriba se puede deducir que las unidades de campo magnético son
los Newtons segundo / (Culombios metro) o Newtons por Amperio metro. Esta
unidad se llama Tesla. Es una unidad grande y para pequeños campos como el
campo magnético de la Tierra, se usa una unidad más pequeña llamada Gauss. 1
Tesla es 10.000 Gauss. El campo magnético de la Tierra en su superficie es del
orden de medio Gauss.
Ley de la Fuerza de Lorentz
La fuerza
eléctrica es simplemente recta y en la dirección del campo si se trata de una
carga positiva, pero la dirección de la parte magnética de la fuerza está dada
por la regla de la mano derecha.
Regla de la Mano Derecha
La regla de
la mano derecha es una regla mnemotécnica útil, para visualizar la dirección de
una fuerza magnética dada por la ley de la fuerza de Lorentz. El diagrama de arriba muestra dos
de las formas que se usan, para visualizar la fuerza sobre una carga positiva
en movimiento. La fuerza estaría en la dirección opuesta para una carga
negativa moviéndose en la dirección mostrada. Un factor a tener en cuenta es
que, la fuerza magnética es perpendicular a ambos el campo magnético y la
velocidad de la carga, pero eso nos da dos posibilidades. La regla de la mano
derecha sólo nos ayuda a precisar cuál de las dos direcciones se aplica.
Para cables
portadores de corriente, la dirección de la corriente eléctrica convencional, se puede sustituir por la
velocidad de la carga v del diagrama de arriba.
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SEMANA8
SESIÓN
22
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Física 2
UNIDAD 5: FENÓMENOS
ELECTROMAGNÉTICOS
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contenido
temático
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5.16 Fuerza de Lorentz.
5.17 Motores (transformación de energía eléctrica en
mecánica)
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Aprendizajes esperados del grupo
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Conceptuales
Procedimentales
·
Elaboración
de motor eléctrico.
·
Presentación
en equipo
Actitudinales
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Materiales generales
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Computo:
-
PC, Conexión a internet
De
proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
-
Moodle, Google docs, correo electronico,
Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación en Power Point; examen
diagnóstico, programa del curso.
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De
laboratorio:
-
Alambre magneto, imán, pila tipo D, objeto cilíndrico , masking tape, clips.
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Desarrollo del proceso
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FASE
DE APERTURA
-
El Profesor
solicita a los alumnos escriban
la descripción de la Fuerza de Lorentz y su aplicación a los motores
eléctricos.
Los alumnos en equipo, discuten y escriben
sus respuestas en el cuadro, utilizando el procesador de palabras.
-
Se realiza una discusión en el grupo, mediada
por el Profesor para consensar las respuestas.
FASE
DE DESARROLLO
Los alumnos desarrollan las
actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor:
-
Solicitar el material requerido para realizar
las actividades siguientes:
-
Enrollar el cable de cobre alrededor del tubo de cartón, diez o
más vueltas (espiras paralelas), dejando al menos 5 cm de cada extremo sin
enrollar y perfectamente recto.
-
Retire el tubo ya que sólo se utiliza para construir la bobina.
-
También puedes enrollar el cable con cualquier objeto
cilíndrico, por ejemplo, la misma pila del tipo D.
-
Fijar el
imán a uno de los lados de la pila utilizando para ello el masking tape (ver
figura).
-
Utilizando
los clips, dejar dos ganchos en cada uno de los extremos habiendo entre éstos
un ángulo de 90º (ver figura).
Motor eléctrico
Materiales Necesarios:
• Una pila alcalina de tipo ' D ' o una pila de petaca
• Cinta adhesiva
• Dos clips de papel (cuanto más grandes mejor)
• Un imán rectangular (como los que se usan en las neveras)
• Cable de cobre esmaltado grueso (no con funda de plástico)
• Un tubo de cartón de papel higiénico o de cocina (de poco
diámetro)
• Papel de lija fino
• Opcional: Pegamento, bloque pequeño de madera para la base.
Instrucciones:
1. Enrollar el cable de cobre alrededor del tubo de cartón, diez
o más vueltas (espiras paralelas), dejando al menos 5 cm de cada extremo sin
enrollar y perfectamente recto. Retire el tubo ya que sólo se utiliza para
construir la bobina. También puedes enrollar el cable con cualquier objeto
cilíndrico, por ejemplo, la misma pila del tipo D.
Los extremos deben coincidir, es decir, quedar perfectamente
enfrentados (ver figura 1) ya que serán los ejes de nuestro motor. Se puede
utilizar una gota de pegamento entre cada espira o dar dos vueltas del cable
de los extremos sobre la bobina para evitar la deformación de ésta.
2. Utilizando la lija, retirar completamente el esmalte del
cable de uno de los extremos de la bobina, dejando al menos 1 cm sin lijar,
en la parte más próxima a la bobina (ver figura 2).
3. Colocar la bobina sobre una superficie lisa y lijar el otro
extremo del cable, simplemente por uno de los lados (por ello no hay que dar
la vuelta a la bobina). Dejar al menos 1 cm sin lijar de la parte más próxima
a la bobina (ver figura 3).
4. Fijar el imán a uno de los lados de la pila utilizando para
ello el pegamento (ver figura 4).
5. Utilizando los clips, dejar dos ganchos en cada uno de los
extremos habiendo entre éstos un ángulo de 90º (ver figura 5). Unos alicates
planos o de punta fina pueden ser muy útiles.
6. Utilizar la cinta adhesiva para fijar el clip de papel a cada
uno de los extremos de la pila (ver figura 6), situando dichos extremos en el
mismo lado que el imán.
7. Colgar la bobina sobre los extremos libres de los clips (ver
figura 7). Si la bobina no gira inmediatamente debemos ayudarla levemente. En
caso de no contar con un cilindro de mayor grosor podemos usar una de las
pilas pero recordar cuanto más delgado sea el cilindro mayor número de
vueltas debemos realizar.
Fuerza de Lorentz
Conectar el simulador:
Observar el cambio de flujo eléctrico al invertir corriente e iman.
Ley de Faraday
Material: Bobina de
inducción, multímetro.
Procedimiento: Conectar
el simulador:
Observaciones:
Tabular y graficar los datos obtenidos.
-
Los alumnos discuten y obtiene
conclusiones.
FASE DE CIERRE
Al final de las presentaciones, se lleva
a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo que se aprendió y aclaración de dudas por
parte del Profesor.
Actividad Extra clase:
Los
alumnos llevaran la información a su
casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas de la
siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.
Se les sugiere que abran una carpeta nombrada Física 2; en la cual
almacenaran su información, se les solicitara que los equipos formados, se
comuniquen vía e-mail u otro programa
para comentar y analizar los resultados, para presentarla al Profesor en la
siguiente clase.
Los alumnos que tengan PC y
Programas elaboraran su informe, empleando el programa Word, para registrar los resultados.
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Evaluación
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Informe
en Power Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad.
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Motores (transformación de energía eléctrica a energía mecánica)
Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos magnéticos variables, los motores eléctricos se componen en dos partes una fija
llamada estator y una móvil llamada rotor.
Estos
funcionan generalmente bajo los principios de magnetismo, los cuales son desarrollados en el interior de la investigación, además de ello se especificara la clasificación
de los mismos, que serían de Corriente Directa, de Corriente Alterna y los Motores Universales y según el número de fases en
Monofásicos, Bifásicos y Trifásicos, siendo este último el más utilizado a
nivel industrial.
Los motores
eléctricos se hallan formados por varios elementos, los cuales son definidos en
el contenido de la presente investigación, sin embargo, las partes principales
son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las
tapas y los cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el
estator y el rotor.
Por otra parte se explica las
principales conexiones con las que es posible la alimentación de
los motores eléctricos, detallando cada una de ellas, las ventajas que suelen
proporcionarle, entre otras. También se hace hincapié en un tema muy importante
para la conservación de los motores eléctricos, como lo es el mantenimiento preventivo de los mismos, donde se indaga a
el alargamiento de la vida útil del motor y disminuir pérdidas y deformaciones
del mismo, finalizando la investigación con una serie de recomendaciones para
la instalación y mantenimiento de los motores eléctricos.
Un motor
eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía
eléctrica en energía mecánica por medio de
interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son
reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica
funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en
locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos
regenerativos.
Son
ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y
particulares. Pueden funcionar conectados a una red de
suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se
están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las
ventajas de ambos.
En magnetismo
se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son
las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las
fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con
esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator
y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos
diferentes se atraen, produciendo así elmovimiento de rotación. En la figura se muestra como se produce el movimiento de rotación en un
motor eléctrico.
Un motor
eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que
señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de
otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se
induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André
Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través
de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una
fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.
Dentro de las
características fundamentales de los motores eléctricos, éstos se hallan
formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son: el
estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los
cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el
rotor.
Estator
El estator es
el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a
cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si
magnéticamente. Existen dos tipos de estatores
a) Estator de
polos salientes.
b) Estator
ranurado.
El estator
está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama "paquete"),
que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo
magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen
los polos magnéticos.
Los polos de
un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el
mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un
sur).
Rotor
El rotor es
el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de
energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero
al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos:
a) Rotor
ranurado
b) Rotor de
polos salientes
c) Rotor
jaula de ardilla
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SEMANA8
SESIÓN
23
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Física 2
UNIDAD 5: FENÓMENOS
ELECTROMAGNÉTICOS
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contenido
temático
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5.18 Ley de Faraday-Henry-Lenz.
Aplicaciones
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Aprendizajes esperados del grupo
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Conceptuales
Procedimentales
·
Elaboración
de indagaciones bibliográficas.
·
Presentación
en equipo
Actitudinales
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Materiales generales
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Computo:
-
PC, Conexión a internet
De
proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
-
Moodle, Google docs, correo
electronico, Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación en Power Point; examen
diagnóstico, programa del curso.
De
Laboratorio:
Pila tipo
D, alambre magneto No 22, clavo. Limadura de hierro.
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Desarrollo del proceso
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FASE
DE APERTURA
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El Profesor
presenta a los alumnos la cuestión siguiente:
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¿En qué
consiste la Ley de Faraday-Lenz-Henry y que aplicaciones tiene?
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Los alumnos en equipo, discuten y escriben sus
respuestas en el cuadro, utilizando el procesador de palabras:
-
Se realiza una discusión en el grupo, mediada
por el Profesor para consensar las respuestas.
FASE
DE DESARROLLO
Los alumnos desarrollan las
actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor:
-
Solicitar el material requerido para realizar
las actividades siguientes:
Observaciones:
-
Los alumnos discuten para obtener sus conclusiones:
Cuando
el núcleo es hacia abajo el voltaje marca positivo
Y
cuando el núcleo es hacia arriba el voltaje marca negativo
FASE DE CIERRE
Al final de las presentaciones, se lleva
a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo que se aprendió y aclaración de dudas por
parte del Profesor.
Actividad Extra clase:
Los
alumnos llevaran la información a su
casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas de la
siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.
Se les sugiere que abran una carpeta nombrada Física 2; en la cual
almacenaran su información, se les solicitara que los equipos formados, se
comuniquen vía e-mail u otro programa
para comentar y analizar los resultados, para presentarla al Profesor en la
siguiente clase en USB.
Los alumnos que tengan PC y
Programas elaboraran su informe, empleando el programa Word, para registrar los resultados.
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Evaluación
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Informe
en Power Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad.
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Ley de Faraday
Cualquier
cambio del entorno magnético en que se encuentra una bobina de cable, originará
un "voltaje" (una fem inducida en la bobina). No importa como se
produzca el cambio, el voltaje será generado en la bobina. El cambio se puede
producir por un cambio en la intensidad del campo magnético, el movimiento de
un imán entrando y saliendo del interior de la bobina, moviendo la bobina hacia
dentro o hacia fuera de un campo magnético, girando la bobina dentro de un
campo magnético, etc.
La ley de
Faraday es una relación fundamental basada en las ecuaciones de Maxwell. Sirve como un sumario abreviado de las
formas en que se puede generar un voltaje (o fem), por medio del cambio del entorno
magnético. La fem inducida en una bobina es igual al negativo de la tasa de
cambio del flujo magnético multiplicado por el número de vueltas
(espiras) de la bobina. Implica la interacción de la carga con el campo
magnético.
EXAMEN 1
SEMANA 8
3, 5 y 6 de Marzo de
2015
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