Departamento de Física Aplicada III

Departamento de Física Aplicada III
Escuela Superior de Ingenieros
Camino de los Descubrimientos s/n
41092 Sevilla
Práctica 8. Balanza de corrientes
8.1. Objeto de la práctica
En esta práctica medimos, mediante una balanza, la fuerza que actúa sobre una espira conductora, inmersa
en un campo magnético, por la que pasa una intensidad de corriente uniforme (fuerza de Lorentz). Para ello,
espiras conductoras de varios tamaños son suspendidas de la balanza, y se determina la fuerza de Lorentz como
una función de la intensidad y de la inducción magnética. El campo magnético uniforme es generado por un
electroimán, de manera que su intensidad puede regularse variando la intensidad de corriente que circula por la
bobina.
Figura 8.1: Dispositivo experimental.
8.2. Fundamento teórico
La fuerza que un campo magnético ejerce sobre un partı́cula cargada viene dada por la ley de Lorentz:
~
F~ = q~v ∧ B
8-2
Si en lugar de una carga puntual tenemos un elemento de corriente de longitud d~l e intensidad I la fuerza
(diferencial) es
~
dF~ = I d~l ∧ B
Si tenemos una corriente de longitud finita la fuerza total será la integral de la expresión anterior. Para el caso
de una corriente rectilı́nea de longitud l y un campo magnético perpendicular a la misma la fuerza total será
F = IlB
siendo la fuerza perpendicular tanto a la corriente como al campo magnético.
A su vez, el campo magnético está generado por un electroimán, por lo que, salvo para campos muy intensos, es aproximadamente proporcional a la corriente que circula por el mismo. La expresión de la fuerza puede
ponerse entonces como
F = CIp Ie l
donde C es una constante que depende de la configuración geométrica del electroimán, Ip la corriente que
circula por la placa y Ie la que circula por el electroimán.
8.3. Descripción del instrumental
Para la realización de la práctica se precisan los siguientes aparatos.
Dos generadores de corriente continua, uno de ellos para el electroimán y otro para las espiras.
Dos amperı́metros.
Un electroimán, formado por dos solenoides y un entrehierro.
Varias placas, en las que hay conductores de longitud conocida.
Varios cables de conexión, dos de ellos de fibras conductoras.
Una balanza, que actuará como dinamómetro.
8.4. Realización de la práctica
8.4.1.
Fuerza sobre las placas
1. Monta el circuito de la figura 8.1.
2. Cuelga la placa de longitud nominal 12.5 mm de la balanza, cerrando el circuito.
3. Aplica un campo magnético correspondiente a 1 A en el electroimán.
4. Haz crecer la corriente que circula por la placa en incrementos de 1 A desde 0 hasta 5 A. Mide la fuerza
que actúa sobre la corriente en cada caso mediante la balanza.
5. Repite las medidas para la placa de longitud nominal 25 mm y la de 50 mm y una vuelta.
6. Gráficas
Para cada placa, recta de mejor ajuste F = a + bI, cada una en una hoja
8.4 Realización de la práctica
8.4.2.
8-3
Determinación del campo magnético
1. Teóricamente, la pendiente de las tres rectas anteriores es proporcional en cada caso a la longitud de la
corriente
b = lB
sin embargo, debido al efecto de las esquinas, la longitud efectiva no se corresponde con la nominal, sino
que hay que añadir una corrección
lef = lnom + l0
con l0 desconocida. Esto hace que la pendiente de las rectas anteriores se pueda escribir como
b = (lnom + l0 )B = lnom B + (l0 B)
esto es, si representamos las pendientes de las tres rectas frente a la longitud nominal obtenemos otra recta
cuya pendiente es justamente el campo magnético y cuya ordenada en el origen nos da la corrección en
la longitud.
Calcula la pendiente y la ordenada en el origen de esta recta y determina a partir de esos valores el campo
magnético B y la corrección de la longitud nominal l0 .
8.4.3.
Placa de 50 mm y 2 vueltas
1. Sitúa la placa de 50 mm y dos vueltas en la balanza y mide la dependencia entre fuerza e intensidad del
mismo modo que para las placas anteriores. ¿Es equivalente esta placa a una de 100 mm?
2. Gráficas
Recta de mejor ajuste F = a + bI.
8.4.4.
Determinación de la constante C
1. Para la placa de longitud nominal 50 mm y con una corriente aplicada sobre ella de 5 A, varı́a la intensidad
que circula por el electroimán desde 0 hasta 1 A en intervalos de 0.2 A. Calcula la fuerza en cada caso.
Halla el valor de la constante C a partir de la pendiente (téngase en cuenta la corrección en la longitud).
2. Gráficas
Recta de mejor ajuste F = a + bI.
Observaciones sobre la medida de la fuerza
La balanza da una medida en gramos. Para obtener la fuerza hay que multiplicar ese valor por g =
9.81 m/s2 .
La balanza mide la fuerza total sobre la placa
FT = mg + CI1 I2 l,
incluyendo el peso y la fuerza magnética. No es necesario restar el peso al hacer las representaciones
gráficas. Esto sólo afectarı́a a la ordenada en el origen de esas rectas, que no nos interesan, y aumentarı́a
el error de la medida.
8-4
Balanza
Generador
Reostato
A
Generador
A
Electroimán
Figura 8.2: Esquema de la práctica.