Lei de Lenz
23 Mar, 2013
Por un tubo
PRESENTACIÓN: Un potente imán de Neodimio déixase caer dentro de un tubo de cobre observándose o freado parcial na súa caída libre debido ás correntes inducidas que se opoñen ás causas que as 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: A lei de Faraday é unha lei básica do electromagnetismo que establece que a voltaxe inducida nun circuíto é directamente proporcional á rapidez con que cambia no tempo o fluxo magnético que atravesa la sección del circuíto.
A lei de Lenz postula que unha forza electromotriz (f.e.m.) inducida sempre xera unha corrente que provoca un campo magnético que se opón ao cambio de fluxo magnético que a induciu. O signo negativo na Lei de Faraday débese a esta lei.
As correntes de Foucault constitúen un fenómeno eléctrico que se produce cando un condutor atravesa un campo magnético variable, ou viceversa. O movemento relativo induce correntes dentro do condutor. Estas correntes circulares de Foucault se comportan como imáns con campos magnéticos que se opoñen ao efecto do campo magnético aplicado.
OBXECTIVO: Observar o que sucede ao deixar caer un imán por un tubo condutor.
MATERIAIS: tubo de cobre (l=1m Ø=1’5cm), tubo de aluminio (l=1m Ø=1’5cm), imáns de neodimio, cronómetro, peso non magnético (mesma masa que imáns).
MONTAXE: suxéitase un tubo e déixase caer o peso non magnético (aproximadamente a mesma masa que os imáns). Procédese de igual forma para os imáns e mídese a súa velocidade. Estes dous pasos fanse para ambos tubos, o de cobre e o de aluminio, finalmente, compáranse os dous, tirándoos ao mesmo tempo.
EXPLICACIÓN: Ao descender un imán por un tubo condutor, fai variar o fluxo magnético de forma que induce correntes que xeran campos opostos á súa caída. Se o imán cae co Polo Sur apuntando para abaixo, e o vemos para un momento dado. O fluxo na zona do Polo Sur aumenta (entran máis liñas de campo desde abaixo cara a arriba) que crea unha corrente sentido horario que xera un campo magnético cara a abaixo. Na zona do Polo Sur, o fluxo magnético diminúe (entran menos liñas de campo desde abaixo cara a arriba), polo que se induce unha corrente sentido antihorario que crea un campo magnético cara a arriba.
Se a posición do imán fose a inversa, aparecería unha corrente antihoraria na parte do Polo Norte, e unha horaria na do Polo Sur.
En ambos casos, a corrente situada por debaixo do imán repele ao imán, mentres que a situada por encima o atrae. Así, aparece unha forza magnética que compensa o peso. A velocidade terminal depende da resistividade, diámetro e grosor das paredes do tubo condutor e do peso e potencia do imán. Polo que en iguais condicións para tubos de cobre e de aluminio, a velocidade é 1.6 veces maior no aluminio (menor resistividade o cobre).
CONCEPTOS: lei de Faraday, lei de Lenz, correntes de Foucault.
MÁIS INFORMACIÓN:
- WIKIPEDIA 1
- WIKIPEDIA 2
- WIKIPEDIA 3
- CURSO INTERACTIVO
- YOUTUBE /ORIGINAL
- YOUTUBE 1
- YOUTUBE 2
- YOUTUBE 3
- OUTRO 1
- OUTRO 2
- OUTRO 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:
ALUMNADO 2012-2013: Daniel Díaz, Agustín Moreira, Fabián Valera, Carlos Vázquez
ENLACE pdf ALUMNADO (en castelán):
9 responses to "Lei 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.