Inductancia

Fuente: Yong P. Chen, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de Ciencias, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN

Este experimento utiliza bobinas inductivas para demostrar el concepto de inductor y la inductancia. La inducción magnética se demostrará utilizando un imán de barra inserta o extrae de la base de una bobina para inducir un voltaje transitorio fuerza electromotriz (f.e.m.) en la bobina, medido por un voltímetro. Este experimento también demostrará la inductancia mutua entre dos bobinas, donde dar vuelta encendido o apagado de una corriente que fluye en una bobina puede inducir un voltaje emf en una segunda bobina cercana. Finalmente, el experimento demostrará la autoinductancia de una bobina, cuando apagar una corriente induce un emf para iluminar una bombilla en paralelo con la bobina.

Conforme a la ley de Faraday, un campo de magnético (dependiente del tiempo) cambio B inducirá un campo eléctrico, conocido como el campo de fuerza electromotriz (f.e.m.). Si el campo magnético es transversal a una bobina de circuito único, el campo emf generará un voltaje emf V a través de los dos extremos de la bobina:

(Ecuación 1)

Es el flujo magnético a través del lazo,

donde A es el área del bucle, y si el campo magnético B es a lo largo de una dirección general, B debe ser reemplazado con su componente perpendicular a la zona del lazo y ΔΦ/Δt es la velocidad de su cambio. El signo menos en la ecuación 1 indica la dirección del emf inducido (o voltaje): siempre intenta oponer el cambio de campo externo B generando una corriente en la bobina que produce su propio campo magnético en la dirección opuesta de la cambio del campo B. La dirección de la corriente en la bobina está relacionada con la dirección del campo magnético inducido por la regla de la mano roja (envolver los dedos de la mano derecha alrededor de la dirección actual, los puntos del pulgar en la dirección del campo magnético producidos por la corriente). Por ejemplo, si el campo externo B es a lo largo de la x dirección (el área del bucle es en plano yz) y va en aumento con el tiempo, entonces el campo magnético generado por la FEM inducida y la corriente estará en x - dirección; Si el campo externo B está disminuyendo, la FEM inducida y la corriente genera un campo magnético en el + x dirección. Este es el fenómeno de la inducción magnética. Para un "" solenoide de N vueltas, el voltaje emf generado por cada vuelta se suman a una tensión emf total. Durante la inducción magnética, la bobina puede considerarse como un análogo de una batería que sería una tensión de salida y (si algunos cargan conectada) una corriente. En este experimento, este fenómeno se demostrará mediante un aumento o disminución de campo magnético B producido por: (1) un imán permanente se trasladó hacia o lejos de la bobina (figura 1); (2) otra en espiral con una corriente I que circula por la bobina, donde puedo activar o desactivar (figura 2); y (3) la bobina sí mismo con una corriente que fluye a través, donde yo puedo ser activado o desactivado (figura 3). En el caso de (3), la inducción se denomina autoinducción y el solenoide es un ejemplo de un "inductor". Para ambos casos (2) y (3), ya que el flujo magnético o campo magnético (cuyo cambio causa la inducción) es proporcional a la corriente, el voltaje emf inducido es proporcional a la tasa de cambio de la corriente (ΔI/Δt), con el factor proporcional L conocido como el mutual inductance como en el caso (2) o autoinductancia como caso (3) , respectivamente:

(Ecuación 2)

La dirección de la tensión V se determina de una manera similar como se describe anteriormente: el CEM V intentará producir una corriente I y su propio campo magnético que se opone a los cambios en el campo magnético original B.

1. inducción magnética

1. Obtener una bobina del solenoide (con núcleo hueco) y un imán de barra (con sus polos norte y sur con la etiqueta).
2. Obtener un amperímetro analógico bipolar con una aguja indicadora. La aguja es nominalmente en la posición media en lectura de cero y se desviará hacia la derecha o izquierda según el sentido de flujo de corriente (positivo lectura significa que los flujos de corriente desde el terminal positivo y el terminal negativo dentro del amperímetro).
3. Conectar los dos extremos del solenoide a la "+" y "−" terminales del amperímetro, como en la figura 1. La conexión puede realizarse con cables con pinzas o enchufes de plátano en la recepción de los puertos en los instrumentos.
4. Traer más cerca el imán de barra a la bobina e inserte su extremo norte en su núcleo, como se muestra en la figura 1. Observar el amperímetro y grabar la señal de su lectura. Para todas las observaciones a realizarse en el siguiente, registrar siempre el signo y la magnitud aproximada de la lectura.
5. Extraiga el imán detrás de la bobina y observe la lectura en el amperímetro.
6. Con el imán de barra lejos de la bobina, dale la vuelta y ahora mover el extremo del sur más cerca a la bobina. Inserte el extremo del sur en el núcleo de la bobina y observe la lectura en el amperímetro.
7. Extraiga el imán hacia atrás por la bobina nuevamente y observar la lectura en el amperímetro.
8. Repetir pasos 1.6 y 1.7 arriba (Inserte y extraiga el polo sur del imán) pero con una menor y luego mayor velocidad y observar y comparar la lectura en el amperímetro.

Figura 1 : Diagrama que muestra un imán hacia hacia/lejos de una bobina induce una corriente en la bobina (inducción magnética).

2. inductancia mutua

1. Obtener una segunda bobina solenoide (denominada bobina #2) y acercar a la primera bobina (denominada bobina #1) como se muestra en la figura 2. Las dos bobinas están alineadas aproximadamente a lo largo de un eje común.
2. Conecte los dos extremos de la bobina #2 a una fuente de voltaje de CC con un interruptor, como se muestra en la figura 2. #1 de la bobina todavía está conectada con el amperímetro analógico.
3. Con el interruptor abierto, ajuste la fuente de tensión a + 2 V, luego cerrar el interruptor para permitir que una corriente fluya en la bobina #2 y observar la lectura en el amperímetro conectado al #1 de la bobina cuando el interruptor se enciende.
4. Ahora abra el interruptor y observar la lectura en el amperímetro.
5. Establecer la fuente de tensión a −2 V (o alternativamente, intercambiar los dos cables conectados a lo más y menos terminales de la fuente de voltaje para invertir el signo de la tensión y la corriente a la bobina #1), repita los pasos 2.3 (encendido) y 2.4 (Apagar) y observe el amperímetro conectado para #1 de la bobina.
6. Ahora inserte la bobina #2 en el núcleo de la bobina #1 tan plenamente como sea posible, repita el paso anterior 2.5 y observar que la lectura en el amperímetro conectado para #1 de la bobina.

Figura 2 : Diagrama que demuestra que una conmutación actual encendido o apagado en una bobina se induce en otro cercano bobina (inducción mutua).

3. autoinductancia

1. Obtener una bombilla de luz y conectar en serie con el amperímetro, luego conectarse la combinación #2 bobina en paralelo con la fuente de voltios, como se muestra en la figura 3. El voltaje en el suministro de voltios se establece a 1 V.
2. Cerrar el interruptor para permitir el flujo de corriente a través de la bobina. El foco de luz debe ser tenue porque la bobina tiene una resistencia mucho menor que la bombilla, y la mayoría de la corriente fluirá a través de la bobina.
3. Abrir el interruptor para que la fuente de volt está desconectada del resto del circuito y observar la bombilla y el amperímetro de lectura cuando el interruptor se abre solo.

Figura 3 : Diagrama que muestra un circuito para demostrar la auto-inducción, donde ajuste de corriente en una bobina induce un voltaje y corriente en una bombilla conectada a él.

Resultados representativos de lo que puede observarse en el amperímetro de lectura para las secciones 1 y 2 (configuraciones en las figuras 1 y 2) se resumen en las tablas 1 y 2 por debajo.

Tabla 1: Resultados representativos para la sección 1. De paso 1.8, observar que una mayor velocidad de movimiento le da un más grande (mayor desviación de la aguja) la lectura en el amperímetro.

Tabla 2: Resultados representativos para la sección 2. Paso 2.6, observar que colocar bobina #2 interior bobina #1 da una lectura más grande (mientras que los signos de la lectura siguen siendo los mismos) en el amperímetro en comparación con paso 2.5 de cada acción de interruptor correspondiente.

Para sección 3, si inicialmente hay flujo de corriente debido a la fuente de volt (+ 1 V) de la derecha a la izquierda de la bobina, apagarlo (abrir el interruptor) induce una corriente transitoria en la misma dirección. La bombilla se encenderá brevemente, y el amperímetro registrará una lectura positiva para la conexión dada en la figura 3.

En este experimento, hemos demostrado cómo cambiando un campo magnético (un imán en movimiento) induce una corriente en una bobina, y también cómo cambia la corriente en la bobina induce corriente en otra bobina (inducción mutua). Demostramos también que cambia la corriente en una bobina induce una tensión y corriente en la bobina misma (autoinducción).

Inductores (normalmente en forma de bobinas) se utilizan en muchas aplicaciones de circuitos, tales como almacenar energía magnética cuando los flujos actuales de un estado estacionario. Son útiles para la señal eléctrica de procesamiento; por ejemplo, tomando la derivada o integral de una señal eléctrica, para el filtrado y para los circuitos de resonancia. También se utilizan en transformadores para cambiar el voltaje de señales de CA.

El autor del experimento agradece la ayuda de Gary Hudson para la preparación de material y Chuanhsun Li para la demostración de los pasos en el video.