OBJETIU

Realitzar una experiència amb l’equipament calculadora gràfica- CBL, l’explicació de la qual exigeix el compliment de les lleis de Faraday i Lenz.

FONAMENTS TEÒRICS

Els experiments de Faraday, Henry i d’altres van demostrar que si el flux magnètic que travessa un circuit canvia, en el circuit s’indueix una força electromotriu (fem) igual, en mòdul, a la variació temporal del flux.

Considerem ara una sola espira en presència d’un camp magnètic. Si el flux que travessa l’espira està canviant, en l’espira hi haurà una fem induïda.

La fem induïda es igual a la variació del flux magnètic per unitat de temps.

Aquest resultat es coneix com la llei de Faraday.

La llei de Lenz introdueix en l’equació de Faraday el signe negatiu, que indica el sentit de la fem induïda. El sentit de la fem i el corrent induït es pot trobar a partir d’un principi general de la física anomenat llei de Lenz:

La fem induïda i el corrent induït tenen el sentit tal en què s’oposen al canvi que els produeix.

Aquest enunciat de la llei de Lenz no especifica quin tipus de canvi produeix la fem o el corrent induït, sinó que està definit expressament de forma tan general per a cobrir totes les possibilitats.

 

HIPÓTESI

Si es deixa caure un imant per l’interior d’un tub de qualsevol material conductor, en el tub s’induirà una fem que a la seua vegada crearà un camp magnètic en sentit oposat al desplaçament de l’imant que tracta de compensar la variació del flux que travessa el tub.

L’imant inicia el moviment des del repòs i quan es deixa caure assolirà una velocitat fins que s’igualen la força magnètica i la força de la gravetat, moment en què l’imant continua el seu desplaçament amb moviment rectilini i uniforme (M.R.U.).

Quant major siga la velocitat de l’imant, major serà la fem induïda i per tant el camp magnètic induït també serà major, per la qual cosa la igualtat entre F_m i F_g es produirà abans.

MUNTATGE

Materials

• TI-83, CBL, sensor PHOTOGATE.
• Tub de coure de 95 cm de longitud i diàmetre 2’5 cm.

• Imant amb forma de cilindre amb diàmetre inferior al del tub (1’5 cm) y massa 63’03g.

• Fil de niló.
• Suports.
• Diverses contrapeses amb massa menor que la de l’imant.

 

Dibuix:



PROCEDIMENTS

1. Es subjecta el suport a la taula.
2. Es subjecta el tub de coure amb el suport, de forma que quede perpendicular al sòl.
3. Es subjecta el sensor de velocitat amb el suport, fent coincidir el carril de la politja amb el centre del tub.
4. S’agafa un tros de fil d’uns 115 cm i es lliga a l’imant per una de les seues bases. L’altre extrem del fil es fa passar pel carril de la politja i s’agafa a aquest extrem el contrapès.

5. Es connecta la TI-83, la CBL i el sensor.

6. Es programa la TI-83: ON-PROGRAM PHISICS-ENTER-SETUP PROBES-ONE-ENTER-PHOTOGATE-MOTION-ENTER-SMART POLLEY-ENTER-10 SPOKEN OUTSIDE-ENTER-NUMBER OF REVOLUTIONS: 6-ENTER.(ja està preparat).
7. Amb l’imant situat en la part superior del tub, es deixa caure. La CBL començarà a enregistrar automàticament.

8. S’analitzen els resultats.

 

MESURES

En la TI-83 hi ha que introduir el nombre de voltes que es desitja mesurar. .S’han posat 6 voltes que s’han obtingut de la següent manera: El radi de la politja és de 2’5 cm; per tant la seua longitud és :

L= 2*π*2’5= 15’7 cm

La longitud del tub es de 95 cm; per tant la politja realitzarà : 95 /15’7= 6 voltes.

RESULTATS

Gràfic 1



Gràfic 2



 

Gràfic 3



 

ANÀLISI DELS RESULTATS I CONTRASTACIÓ D’HIPÒTESIS

(Variant la massa del contrapès s’obtenen diferents velocitats de caiguda de l’imant).

La gràfica de color verd (graf.1) correspon a una massa del contrapès de 40,5 g. S’observà que la velocitat constant comença als 1.602 s (valor deduït a partir de la taula de mesures).

La gràfica de color roig (graf.2) es la de un contrapès de 38 g. El MRU comença als 1.059 s.

La gràfica blau (graf.3) representa la caiguda de l’imant amb un contrapès de 35,5 g. L’imant cau a velocitat constant als 0,901 s.

Abans de produir-se el moviment rectilini uniforme, el moviment es accelerat en tots els casos.

Els resultats obtinguts es corresponen amb la hipòtesi formulada: L’imant inicia el moviment des del repòs i és accelerat per la força de la gravetat. El camp variable en l’ interior del tub indueix en aquest una fem i aquesta un camp magnètic que s’ oposa al moviment de l’imant. Quant F_m i F_g son iguals, la velocitat de l’imant continua constant.



Quant major siga la velocitat de l’imant, abans s’igualaran els mòduls de les dos forçes, ja que la variació de flux es produeix més ràpidament.

 

OBSERVACIONS

• L’imant, en la seua caiguda, no ha de tocar les parets del tub.

• El tub no ha de tocar terra per a evitar la compressió d’aire que, possiblement, faça variar els resultats.
• S’ha d’evitar la proximitat i el contacte de l’imant amb els aparells electrònics (TI-83 i CBL) ja que possiblement es perda l’ informació de la memòria.
• El fil usat ha de ser el més flexible i lleuger possible, per considerar la seua massa i fricció negligible.

 

CONCLUSIONS

L’experiència anterior permet evidenciar els conceptes fonamentals de les lleis de Faraday i Lenz:

• Un camp magnètic variable que travessa una espira d’un material conductor, crea en aquesta una fem induïda.
• La fem induïda i el corrent induït tenen un sentit tal que el camp magnètic que generen s’oposa al camp que els produeix.

 

PROPOSTES PER CONTINUAR INVESTIGANT

En el futur seria d’interès estudiar el comportament de l’imant en caiguda a través de diferents metalls no ferromagnètics: Cu, Al, Pb, etc. i emprar tubs de diversos diàmetres.

BIBLIOGRAFIA

ENCISO ORELLANA, E., et al. (1998), Física 2n BAT, Ed. Ecir SA, Paterna (València), pp. 232-238.