Ley de Lenz
23 mar, 2013
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PDFPor un tubo
PRESENTACIÓN: Un potente imán de Neodimio se deja caer dentro de un tubo de cobre observándose el frenado parcial en su caída libre debido a las corrientes inducidas que se oponen a las causas que las producen.
- More on Faraday’s and Lenz’s laws ‐ Qualitative demonstrations, Roberto Hessel, Phys. Teach. 49, 184 (2011)
- Lenz’s Law Magic Trick, Michael J. Ruiz, Phys. Teach. 44, 96 (2006)
- Action-reaction at a distance, Howard Brand, Phys. Teach. 40, 136 (2002)
INTRODUCCIÓN: La ley de Faraday es una ley básica del electromagnetismo que establece que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa la sección del circuito.
La ley de Lenz postula que una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida siempre genera una corriente que provoca un campo magnético que se opone al cambio de flujo magnético que la indujo. El signo negativo en la Ley de Faraday se debe la esta ley.
Las corrientes de Foucault constituyen un fenómeno eléctrico que se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo induce corrientes dentro del conductor. Estas corrientes de Foucault se comportan como imanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado.
OBJETIVO: Observar lo que sucede al dejar caer un imán por un tubo conductor.
MATERIALES: tubo de cobre (l=1m Ø=5cm), tubo de aluminio (l=1m Ø=5cm), imanes de neodimio, cronómetro, peso no magnético (misma masa que imanes).
MONTAJE: Se sujeta un tubo y se deja caer el peso no magnético (aproximadamente la misma masa que los imanes). Se procede de igual manera para los imanes y se mide su velocidad. Estos dos pasos se hacen para ambos tubos, el de cobre y el de aluminio, finalmente, se comparan los dos, tirándolos al mismo tiempo.
EXPLICACIÓN: Al descender un imán por un tubo conductor, hace variar el flujo magnético de forma que induce corrientes que generan campos opuestos a su caída. Si el imán cae con el Polo Sur apuntando para abajo, y lo vemos para un momento dado. El flujo en la zona del Polo Sur aumenta (entran más líneas de campo desde abajo hacia arriba) que crea una corriente sentido horario que genera un campo magnético hacia abajo. En la zona del Polo Sur, el flujo magnético disminuye (entran menos líneas de campo desde abajo hacia arriba), por lo que se induce una corriente sentido antihorario que crea un campo magnético hacia arriba.
Si la posición del imán fuera la inversa, aparecería una corriente antihoraria en la parte del Polo Norte, y una horaria en la del Polo Sur.
En ambos casos, la corriente ubicada por debajo del imán repele al imán, mientras que la ubicada por encima lo atrae. Así, aparece una fuerza magnética que compensa el peso. La velocidad terminal depende de la resistividad, diámetro y grosor de las paredes del tubo conductor y del peso y potencia del imán. Por lo que en iguales condiciones para tubos de cobre y de aluminio, la velocidad es 1.6 veces mayor en el aluminio (menor resistividad el cobre).
CONCEPTOS: ley de Faraday, ley de Lenz, corrientes de Foucault.
MÁS INFORMACIÓN:
- WIKIPEDIA 1
- WIKIPEDIA 2
- WIKIPEDIA 3
- CURSO INTERACTIVO
- YOUTUBE /ORIGINAL
- YOUTUBE 1
- YOUTUBE 2
- YOUTUBE 3
- OTRO 1
- OTRO 2
- OTRO 3
- EXPLORATORIUM
- BBC
- SC.EHU.ES
- EXTRAS 1
- EXTRAS 2
TEXTOS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
ALUMNADO 2011-2012: Enrique Braña, Adrián Regueira, Guillermo Rial, Aday Rivera
ENLACE pdf ALUMNADO (en galego):
ALUMNADO 2012-2013: Daniel Díaz, Agustín Moreira, Fabián Valera, Carlos Vázquez
ENLACE pdf ALUMNADO:
9 responses to "Ley de Lenz"
A la vista del experimento, la Ley de Lenz tiene pinta de estar muy relacionado con el funcionamiento de los altavoces. Estos aparatos contienen un imán pegado a la membrana y una bobina por la cual se hace pasar una corriente. Esta corriente crea un campo magnético que desplaza el imán, haciendo vibrar la membrana que producirá las ondas sonoras.
Además del frenado que provoca el campo magnético inducido en el tubo, hay otro aspecto que me parece muy curioso del experimento. Quizás en los vídeos mostrados aquí no se ve muy claramente, en el siguiente vídeo es más evidente.
El campo magnético inducido no varía en los 360ª del tubo. Eso hace que los campos magnéticos inducidos en cada sector del tubo se anulen en la dirección radial, y el imán cae exactamente por el centro.
Este experimento es muy fácil de desarrollar e interesante para realizar en clase ya que los movimientos del imán en el interior del tubo llaman mucho la atención. Además nos permite visualizar la creación de campos magnéticos, facilitando la comprensión de ciertas leyes físicas, las cuales suelen resultar bastante abstractas. Lo ideal para su uso en clase sería demostrar primero a los alumnos que el imán no se pega al tubo y, seguidamente preguntarles qué creen que pasará si lo introducimos por el hueco. La mayoría suelen pensar que el imán caerá rápidamente por el interior por lo que se obtiene una reacción muy llamativa cuando ven que esto no es así. Ante esto, el segundo pensamiento es que se ha quedado pegado en el interior, sin embargo volveremos a sorprenderlos cuando vean aparecer finalmente el imán por el otro extremo del tubo. Si no me equivoco, este efecto se suele utilizar en el frenado de las montañas rusas, autobuses, camiones, etc, ya que proporciona una frenada suave. Las montañas rusas sirven para introducir éste y otros muchos conceptos físicos como podemos ver en la siguiente actividad de la revista Science in School: Gonig wild: teaching physics on a roller coaster.
Las leyes que rigen el electromagnetismo suelen ser difíciles de comprender en un primer momento por el alumnado de secundaria. Por tanto, creo que demostraciones visuales como esta son muy interesantes. Además de realizar estas experiencias en el aula, se pueden proporcionar otro tipo de recursos para que el estudiantado se inicie en estos conceptos y los afiance. Así, a modo de introducción amena y divertida, propongo este vídeo del canal “Date un Vlog” en el que se hace un repaso a la historia de los descubrimientos y teorías más destacadas del electromagnetismo. Además, para profundizar en concreto en la explicación de las leyes de Faraday y Lenz es interesante esta entrada de Khan Academy en la que se presentan vídeos, explicaciones y ejercicios sobre este tema.
La ley de Lenz es uno de los principio del electromagnetismo que más complicado de entender puede resultar al alumnado. Partiendo de una explicación teórica y apoyados de este experimento en el aula, podemos facilitar su comprensión. En el siguiente blog se realiza una breve explicación del principio y se mencionan varias aplicaciones en las que se cumple esta ley, como pueden ser en transformadores o detectores de metales.
Este experimento guarda relación con los sistemas de frenado por freno magnética. Ejemplos de usos reales de la Ley de Lentz pueden ser el tren de alta velocidad Intercity-Express de Alemania o los trenes bala de Japón. Los desaceleradores de tipo Maglev, tambien conocidos como frenado por corrientes de Foucault emplean electroimanes montados en el chasis sobre el que se sujetan las ruedas. Cuando se activan, los imanes crean “corrientes de Foucault”, en las que la fuerza electromagnética que actúa sobre los rieles ayuda a disminuir la velocidad del tren.
Las corrientes parásitas son corrientes eléctricas que fluyen a través de componentes o circuitos que no son parte del circuito principal. Estas corrientes pueden causar interferencia electromagnética y pueden reducir la eficiencia del circuito. Las corrientes parásitas también pueden ser peligrosas, ya que pueden generar calor y causar daños en los componentes o en el propio circuito. Como se ha expuesto en otros comentarios, también se utilizan en diversas aplicaciones relacionadas con alta velocidad, donde los sistemas mecánicos tienen altas limitaciones.
Recordo que no bacharelato o tema de electromagnetismo asustaba cando intentabas comprendelo de maneira teórica analítica. Este tipo de experimentos facilitan moitísimo a súa comprensión. A modo de curiosidade comparto outro experimento similar, como, aproveitando os campos magnéticos creados polo movemento de electróns, se pode conseguir facer un tren en casa.
Este impactante experimento de la Ley de Lenz, al dejar caer un potente imán de Neodimio en un tubo de cobre, ejemplifica de manera elocuente cómo las corrientes inducidas pueden frenar la caída del imán al oponerse a los cambios en el flujo magnético. Este principio, aplicado en la tecnología de frenado magnético, encuentra una aplicación práctica en sistemas de transporte de alta velocidad, donde la interacción entre imanes y conductores permite frenar vehículos de manera eficiente y controlada sin necesidad de contacto mecánico, demostrando la versatilidad y relevancia de la Ley de Lenz en situaciones cotidianas.