ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 7. BOBINA DE THOMSON
PROPÓSITOS:
1. Realizar experiencias demostrativas con la bobina de inducción.
2. Determinar el número de vueltas en el primario conociendo el número de vueltas en el secundario.
3. Determinar el coeficiente de inducción mutua entre la bobina larga y la corta.
EQUIPO Y MATERIAL
- Bobina de inducción con núcleo de hierro con aditamentos: anillo abierto, anillo cerrado, bobina secundaria con foco y sin foco, placa metálica y disco giratorio.
- Multímetro.
- Fuente de alimentación.
- Osciloscopio.
INTRODUCCIÓN
El aparato de Thomson, consiste en una bobina con núcleo de hierro que se magnetiza con corriente alterna. Este dispositivo se usa en un gran número de demostraciones de inducción electromagnética. Por ejemplo el del “salto del anillo de aluminio” en el cual se coloca un anillo de aluminio sobre la base. Cuando la corriente pasa a través de la bobina, una corriente se induce en el aluminio de tal manera que se genera una fuerza promedio hacía arriba sobre el anillo.
Acerca de la inducción
Una aplicación muy importante de la inducción electromagnética son los transformadores. Un transformador es un dispositivo que permite transferir la energía eléctrica de un circuito (bobina) a otro, modificando la intensidad y la tensión de la corriente. La base de su funcionamiento es la presencia de la inductancia (L) y la inductancia mutua (M).
La inductancia (L) es una medida de la oposición a un cambio de corriente de una bobina que almacena energía en presencia de un campo magnético, y se define como la razón entre el flujo magnético ( ) y la corriente ( ) que existe en la bobina y el número de espiras (N) en el devanado.
La inductancia mutua (M) es el efecto de producir una fem en una bobina, debido al cambio de corriente en otra que se encuentra acoplada. La fem inducida en la bobina se determina por la ley de Faraday y su dirección siempre es opuesta al cambio del campo magnético producido en ella (Ley de Lenz).
La fem inducida en la bobina 2, originada por el cambio en la corriente se puede expresar como:
Figura 1. Diagrama del transformador.
En donde el coeficiente de inducción mutua (M) se puede estimar conociendo la densidad de flujo magnético en la bobina primaria ( ) producida por la corriente ( ) que pasa en ella, al establecerse una diferencia de potencial (ξ1), ver figura 1.
El campo que pasa a través de la bobina 2 crea un flujo magnético Φ21. El coeficiente de inducción mutua de la bobina 1 con respecto a la dos, se determina:
En donde n es un vector unitario paralelo al eje de las bobinas y dirigido hacia la derecha (figura 2), y es la permeabilidad magnética relativa del núcleo de hierro con un valor entre 1000 y 2000.
El flujo producido sobre la bobina 2 es:
Donde :
µr = Permeabilidad relativa del núcleo de hierro.
µ0= Permeabilidad magnética del espacio vacío.
N1= número de vueltas en el primario.
N2= número de vueltas en el secundario.
l= Longitud de la bobina primaria.
S= Sección transversal de la bobina primaria.
Coeficiente de acoplamiento
Los coeficientes de inductancia (L) y de inductancia mutua (M) se pueden expresar en función del número de espiras de las bobinas (N1 y N2) y de una constante K llamada coeficiente de acoplamiento, tomando en cuenta lo siguiente:
Es importante tener en claro que en todo el análisis hecho L1 y L2 son parámetros eléctricos del circuito de la figura1 y 2 respectivamente, que tienen la vinculación matemática dada por la ecuación 8, donde es común llamar
N1/N2 = a, relación que aparece reiteradamente en la prosecución del estudio de bobinas acopladas. Este detalle hace que la ecuación 7 represente el parámetro vinculante de ambos circuitos por la intervención de k. Esto nos permite comentar, que si el acoplamiento es ideal se tiene un valor de K= 1, entonces L1 =L 2 = M y las ecuaciones del transformador ideal se cumplen. Por otro lado, si el valor de K se encuentra entre 0 y 1, entonces se trata de un sistema real y L1 es diferente a L2. Por lo tanto hay que calcular L1 y L2 por separado.
Una forma de determinar L2, es conociendo la resistencia de la bobina primaria (Rp) ,secundaria (Rs) y L1. En el caso ideal se tiene que:
DESARROLLO
1. EXPERIENCIAS DEMOSTRATIVAS
I. CAMPO MAGNÉTICO CONSTANTE
a) Conecta la bobina primaria a una fuente de 6 V de corriente directa y coloca un clip o un cuerpo de hierro encima del núcleo de la bobina. Aleja verticalmente el objeto a 5 cm del núcleo de la bobina.
¿Es variable la fuerza de atracción?
b) Coloca de manera horizontal la bobina secundaria con foco encima de la bobina primaria.
¿Por qué a pesar de que sí hay campo magnético la lámpara no
enciende?
II. CAMPO MAGNÉTICO OSCILANTE
a) Conecta la bobina a una fuente de alimentación de 120 Volt de corriente alterna y de nuevo coloca un objeto de hierro a 5 cm de la bobina de hierro.
¿Por qué la fuerza de atracción es variable?
¿Cuál es la frecuencia de oscilación de una pieza de hierro atraída por
el núcleo?
b) Conecta la bobina primaria a la fuente de alimentación de 120 Volt de corriente alterna y coloca encima de manera horizontal la bobina con foco, de tal manera que la atraviese el núcleo y que quede apoyada en la plataforma de la bobina primaria.
¿Por qué enciende el foco?
c) Con la bobina secundaria sobre la plataforma y el núcleo en posición baja (caso anterior), eleva el núcleo de manera que quede siempre dentro de la bobina primaria.
¿Por qué la lámpara enciende con mayor intensidad al elevar el
núcleo ?
d) Con el núcleo en la posición baja coloca la bobina secundaria con foco sobre el extremo superior del núcleo de forma vertical.
¿Qué observas?
¿En qué orientación de la bobina es máxima la inducción de
corriente?
e) Conecta la bobina secundaria con foco de 80 a las terminales de una bocina. Insertar la bobina secundaria al núcleo que se encuentra dentro de la bobina primaria en posición baja, conecta la bobina a la toma de corriente y posteriormente enciéndela.
¿De qué frecuencia es el tono de la bocina?
f) Con el núcleo en posición alta se sitúa la bobina secundaria abierta de manera que el núcleo quede insertado en ella. Se presiona la bobina secundaria ligeramente de manera que los extremos de las terminales rectas se unan.
¿De qué magnitud se espera que sea la corriente inducida en esta
bobina secundaria?
¿Por qué se contrae la bobina al conducir corriente?
g) Mide la corriente en la bobina secundaria teniendo el núcleo en
posición media. A continuación eleva el núcleo y observa el
medidor.
¿Por qué cambia la corriente al mover el núcleo?
h) Con la bobina desconectada y el núcleo en posición alta coloca el anillo cerrado de aluminio sobre la plataforma con el núcleo insertado en él, y enciende la bobina. ¿Qué fenómeno ocurre en el anillo cerrado que lo hace elevarse? ¿Por qué se caliente el anillo al forzarlo a permanecer abajo?
Repite lo mismo, pero ahora usando el anillo abierto de aluminio ¿Por qué no se eleva el anillo abierto? ¿Por qué se calienta el anillo al forzarlo a permanecer abajo?
i) Con el núcleo en posición baja, coloca la lámina de acero encima de la mitad del núcleo y posteriormente por arriba de la lámina el disco giratorio en orientación horizontal hasta que notes que gire, por tanteo ubica la mejor posición para que gire a mayor velocidad. Quita la lámina y notaras que el disco se detiene, inmediatamente sin mover el disco coloca la lámina por arriba del disco. ¿A qué se debe que el disco gire? ¿Cambia el sentido de rotación del disco al cambiar la posición de la lámina? ¿Por qué?
2. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE VUELTAS EN EL PRIMARIO
Conecta a una fuente de corriente alterna la bobina primaria y la bobina de 80 espiras encima de la primaria de tal manera que el núcleo la atraviese. Coloca el núcleo en posición media y conecta a la bobina secundaria las terminales de un osciloscopio. Cambia la diferencia de potencial en la bobina primaria en magnitudes de 2 Volt y registra la diferencia de potencial en la bobina secundaria. Realiza un gráfico de diferencia de potencial en el secundario contra diferencia de potencial en el primario, y obtén la pendiente de la recta. Determina la relación del número de vueltas en el primario con respecto al número de vueltas en el secundario, para que lo compares con la relación de un transformador ideal.
3. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE INDUCCIÓN MUTUA
Con base a la ecuación 6, 9 y 10, determina la constante de inducción mutua (M) y las constantes de inducción L1 y L2, tomando las 800 vueltas en el primario y 80 en el secundario.
RESULTADOS
Coeficiente de inducción mutua
M =0.596 H
Rp=
















