Laboratorio II de Física Práctica Nº 5 El Ferromagnetismo PARTE EXPERIMENTAL. Actividad Nº 1. Circuito para medir el Ciclo de Histéresis. H. Rowland diseñó el siguiente circuito para medir simultáneamente los Campos H y B en un material Ferromagnético: VH R VB NÚCLEO FERROMAGNÉTICO El generador produce una corriente que varía con el tiempo y el Voltaje en la Resistencia, VH, es proporcional a la corriente en la resistencia que, por estar en serie, es la misma de la bobina primaria y como el Campo Magnético H también es proporcional a dicha corriente, midiendo el VH medimos indirectamente H. Por otra parte, el voltaje inducido en la bobina secundaria, de acuerdo a la ley de Faraday, es la derivada respecto al tiempo del flujo de B en el secundario, por lo tanto, al intercalar un circuito que integre respecto al tiempo, el voltaje de salida, VB será proporcional a B. En el Laboratorio usaremos como integrador un circuito RC y los voltajes VH y VB los mediremos con el osciloscopio. Aplicando VH al eje horizontal y VB al eje vertical obtendremos directamente en la pantalla el Ciclo de Histéresis. 1 Laboratorio II de Física Práctica Nº 5 El Ferromagnetismo Monte el siguiente circuito. Verifique por seguridad que el extremo izquierdo del interruptor S está conectado al polo vivo de la red doméstica. Verifique también que las tierras de los dos canales del osciloscopio están conectadas como se indica. Use los siguientes valores: Componente Símbolo Valor Unidad Reóstato 1 R1 11 Reóstato 2 R2 320 Resistencia 3 R3 2000 Bobina Primaria L1 250 vueltas Bobina Secundaria L2 10 V (nominal) Caja de Capacitores C 10 F S Osciloscopio R3 L1 R2 110 V 60 Hz L2 C R1 X Y R1 La corriente en el primario del Transformador, Ip, produce un campo magnético B, cuyo módulo es: B = Np Ip / Lp, siendo Lp la longitud del solenoide primario y Np su número de vueltas. El campo magnético H viene dado por: H = B / = Np Ip / Lp. La corriente en el primario la calculamos dividiendo el voltaje en el eje x del osciloscopio entre la resistencia R1 del reóstato R1: Ip = VH / R1. 2 Laboratorio II de Física Práctica Nº 5 El Ferromagnetismo El voltaje VH lo mediremos como el desplazamiento de la traza en la pantalla, de X divisiones multiplicado por la amplificación del eje x de Kx voltios/división. Quedando finalmente: H NP LP R1 KX X . Verifique las unidades de H en el Sistema Internacional: Al variar con el tiempo la corriente del primario, se induce en el secundario una fuerza electromotriz ( voltaje inducido ), cuyo módulo es: Vs = Ns d / dt, siendo el flujo magnético en una sola espira del secundario, el cual, debido a la alta permeabilidad del núcleo de hierro, es prácticamente el mismo producido en el primario, y Ns el número de vueltas del secundario. El circuito del secundario se puede simular mediante el siguiente circuito equivalente: R3 VS = V0 cos t VS VB C Si la impedancia del condensador es mucho menor que R3 ( 1 R 3C ), podemos aproximar: Is Vs / R3, con lo cual el voltaje en el condensador es: VB q C 1 C IS dt 1 R3 C Por definición el flujo en una espira es: VS dt . B dA NS R 3C d dt dt NS R 3C BA , siendo A el área de la sección transversal de la bobina secundaria, quedando: 3 Laboratorio II de Física Práctica Nº 5 El Ferromagnetismo VB = A Ns B / R3 C. Si medimos en el osciloscopio el voltaje del condensador como Y divisiones con un factor de amplificación de Ky voltios/división, obtenemos finalmente: B R 3C A NS K YY . Verifique las unidades de B en el Sistema Internacional: Verifique que se cumple la desigualdad 1 R 3C : Con R2 al máximo, ajuste los valores de R1, KX y KY para que todo el Ciclo de Histéresis aparezca completo en la pantalla del osciloscopio. Verifique que el origen del gráfico en el Ciclo de Histéresis coincida exactamente con el centro de la pantalla, desde donde se medirán todos los desplazamientos de la traza del osciloscopio. Para calcular el número de vueltas del secundario mida los voltajes en el primario y el secundario del transformador, VP y VS, entonces calcule: N S = N P V S / V P. Al terminar el ajuste del circuito, desconecte temporalmente el reóstato R1 y mida con el ohmímetro el valor de R1. Después de medirlo vuelva a conectar R1. 4 Laboratorio II de Física Práctica Nº 5 El Ferromagnetismo Llene la siguiente tabla: Componente Símbolo Porción del reóstato 1 R1 Amplificación horizontal KX Amplificación vertical KY Longitud bobina primaria LP Número de vueltas del primario Número de vueltas del secundario Área sección transversal del núcleo Valor Unidad NP NS A Actividad Nº 2. Medición de la Curva de Magnetización inicial. En esta actividad empezaremos con una muestra completamente desmagnetizada ( origen del gráfico en el Ciclo de Histéresis ), y aumentaremos progresivamente el Campo H hasta llegar a saturación. Para ello aumentaremos gradualmente el valor del Reóstato R2, comenzando en cero, produciendo ciclos que serán cada vez mayores. De todos los puntos de cada ciclo solamente mediremos el superior derecho, ya que este sigue la curva de magnetización inicial del núcleo de hierro. Llene la siguiente tabla con los valores X-Y del punto superior derecho del Ciclo de Histéresis, medidos desde el origen de coordenadas en el centro de la pantalla: # Desplazamiento X Desplazamiento Y H [A/m] B [T] 1 2 3 4 5 6 7 5 Laboratorio II de Física Práctica Nº 5 El Ferromagnetismo Grafique la curva de magnetización inicial del núcleo ferromagnético en el siguiente recuadro: B [T] H [A/m] A partir del gráfico anterior determine el Campo B de saturación: Actividad Nº 3. Ciclo de Histéresis de saturación. Ajuste el reóstato R2 al máximo para que en la pantalla aparezca el Ciclo de Histéresis de saturación. 6 Laboratorio II de Física Práctica Nº 5 El Ferromagnetismo Haga un dibujo, lo mas exacto posible del Ciclo de Histéresis de saturación: Y [divisiones] X [divisiones] Determine el valor del Campo B remanente y del campo H coercitivo: Actividad Nº 4. Potencia perdida por ciclo. Verifique que el área del Ciclo de Histéresis tiene unidades de energía entre volumen: 7 Laboratorio II de Física Práctica Nº 5 El Ferromagnetismo Para el Ciclo de saturación determine el área encerrada por el ciclo: Calcule el volumen del núcleo del Transformador: Conociendo la frecuencia de la red doméstica ( 60 Hz. ) determine la potencia perdida por ciclo. ¿De donde proviene esta potencia y en que se convierte?: Haga las conclusiones finales de la práctica: 8