Interaction
30 Jun, 2013
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PDFBetween coils
PRESENTATION: Two coils are placed close to each other in such a way that the changing magnetic flux of one of them goes through the other inducing a current in it. It can be seen that the current induced in the second coil exists only while the current of the first changes and consequently the initial magnetic field is kept.
- An Inexpensive Source of High Voltage, Carlos Saraiva, Phys. Teach. 50, 224 (2012)
- Using a roll of household wire for magnetic induction demonstrations, Blane Baker, Phys. Teach. 49, 392 (2011)
INTRODUCTION: Two coils (or solenoids) are placed in series so that they can share the same axis of symmetry. If a current is made to go through both coils two consequences can be observed: either both coils attract each other, or both repel each other. These effects are the consequence of the generation by the coils of their own magnetic field, which can be calculated on the basis of the application of Ampère’s Law, which will lead to the forming of two magnetic poles, one positive and another negative, in each of them.
OBJECTIVE: to test the effects of attraction and repulsion between the3 coils experimentally and offer an explanation of these phenomena.
MATERIALS: 2 coils (identical if possible), two power sources, four cables, 2 bases, 2 nuts, a stick, wire.
SETUP: First the bases are placed so that they can hold the stick horizontally with the help of two nuts. Then 4 wires (or more) will be tied to that stick and their lower ends will be tied to the coils so that these can be kept suspended horizontally and at the same height (or in series and sharing the same symmetry axis). Later on, the power supplies will be connected to the electric main and the voltage will be regulated (in this case 30 V) so that the coils can’t become overheated. Then the coils will be connected to the power supply by means of the cables. According to the direction of the currents, either an attraction or a repulsion will be observed between both coils.
EXPLANATION: When a coil of N spires and L length is connected to the power supply, a current intensity I will circulate through the coil and will generate a magnetic field whose direction depends of the direction of the current. It can be calculated on the basis of Ampère’s law and will render the following expression: B= μ0·I·N/L . Due to the existence of this magnetic field at the ends of the coil two poles are formed, one negative and the other positive, in this way the coil behaves like a magnet. Therefore, when two coils are connected to the current each of them will generate its own magnetic field and inherently its positive and negative poles. If both approaches, we will be able to see two effects depending on which poles are closer.
- If the closer poles have opposite signs (the directions of the currents are the same) both coils will suffer attraction forces.
- If the closer poles are of the same sign (the directions of the currents are opposite) both coils will suffer repulsion forces.
CONCEPTS: magnetic field and force, Apere’s law, current intensity, magnet, pole.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- Tipler P.A. Física, Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A, Jewett J.W., Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
STUDENTS 2012 2013: Manuel Otero, Óscar Penas, Julián Pérez.
LINK pdf STUDENTS (In Spanish):
23 responses to "Interaction"
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El video del solenoide y sus efectos electromagnéticos, ilustra muy bien cómo funciona el campo magnético. La idea de explicar paso a paso y muy despacio lo hace entendible para todo el mundo. Me gusta como introduce las brújulas en el experimente, ya que se trata de algo familiar para todo el mundo, y ayuda a entender fácilmente cómo se comportan las líneas de campo. La mejor parte del experimento para mi es el uso de las limaduras de hierro, porque hace muy visual el electromagnetismo. Y termina la explicación con un electroimán, algo muy adecuado. Ya que así se puede comprender la relación del electromagnetismo con la tecnología que está muy presente en la vida de los alumnos.
Existen muchos animales que se utilizan el campo magnético terrestre para orientarse durante sus migraciones, desde ballenas hasta tortugas marinas, pasando por determinadas aves.
Estos animales pueden verse afectados por la contaminación electromagnética producida, por ejemplo, por los cables submarinos de alta tensión. El campo magnético asociado a las corrientes eléctricas puede provocar que los animales se desorienten de forma que, en el caso de las ballenas, podrían llegar a producirse varamientos.
Se ha observado también que el ruido electromagnético producido por los aparatos eléctricos que usamos diariamente puede afectar a la orientación de animales como el petirrojo.
Más información sobre la orientación geomagnética
Otra ley basada en el campo electromagnetismo, es la Ley de Lorentz.
Con la Ley de Lorentz se pueden explicar diversos fenómenos científicos basados en dicha Ley, como puede ser la “propulsión magnetohidrodinámica”, es un método para propulsar buques de navegación marítima con sólo dos campos, eléctrico y magnético, sin partes móviles. El principio de funcionamiento consiste en dotar de carga eléctrica a un fluido propelente (en este caso agua salada) y acelerarlo mediante un campo magnético, empujando el vehículo en la dirección opuesta.
La idea de utilizar las técnicas “MHD” para impulsar el agua del mar se hace posible gracias al valor no nulo de la conductividad eléctrica del agua de mar (0.22 ohm*m). De igual manera que las bombas o impulsores de sodio líquido, es posible realizar las bombas o impulsores de agua de mar que impulsan por detrás la masa de agua aspirada por delante, creando de esta manera, por reacción, un efecto de propulsión. Los primeros estudios datan de los años 60 y tratan de la propulsión de los buques de superficie o de los submarinos.
A continuación, se adjunta un vídeo explicativo de desarrollo de un experimento de la Ley de Lorentz; una actividad bastante interesante para realizar en clases y enseñarle a los alumnos cómo la mayoría de la tecnología que nos rodea, tiene detrás un principio o ley científica.
Vídeo explicativo.
Los dos vídeos explican de forma sencilla y clara el funcionamiento del efecto electromagnético que se crea al aplicarle corriente a un solenoide. Además, los vídeos enseñan que el electromagnetismo está muy presente en la tecnología de hoy en día, como se muestra en el experimento en el que explica el funcionamiento de un electroimán, o en el que se usa un solenoide de un automático de un motor de arranque de un coche.
El electromagnetismo es la fuerza de interacción entre partículas cargadas eléctricamente. Es decir, se refiere a la creación de corrientes eléctricas a partir de un campo magnético y es el responsable de casi todos los fenómenos que ocurren en nuestra vida diaria. Así los electroimanes se utilizan en los timbres, para separar materiales, en manipulación de planchas metálicas, además, se utilizan en interruptores y conmutadores, se puede ver en alternadores, dinamos, transformadores, aparatos de medida para magnitudes eléctricas,…etc. Actualmente el campo electromagnético abarca todo el mundo, no existe un lugar en donde no se produzca este fenómeno.
Por esta razón es importante que los alumnos tengan claro el concepto de electromagnetismo y para ello es importante su visualización para una mayor comprensión.
Me ha parecido un vídeo muy interesante y bien explicado. La gran ventaja de este tema, electromagnetismo, es que es algo muy visual, es decir, que en cuanto lo ves no lo olvidas. En la página web siguiente podemos ver un vídeo sobre una experiencia con un solenoide, dicha experiencia es el.fundamento de linternas que se venden en los bazares, que tras agitarlas funcionan.
Las electroválvulas utilizan este fenómeno para su funcionamiento. Una bobina de tipo solenoide abre o cierra mediante atracción magnética una válvula que controla el paso de un fluido. Típicamente la válvula se mantiene cerrada por la acción de un muelle, al aplicar corriente al solenoide la abre venciendo la fuerza del muelle y dejando pasar el fluido.
Experimentos muy visuales para explicar un fenómeno que puede parecer abstracto. En el primer experimento se podría cambiar uno de los solenoides por un imán, de forma que al pasar la corriente eléctrica, la bobina se mueva para acercarse o alejarse del imán, en función de la orientación de sus polos.
La generación de un campo magnético a partir de la circulación de corriente eléctrica a través de bobinas de cable es el principio que ha permitido el desarrollo de los motores eléctricos. Tenemos múltiples motores eléctricos funcionando en nuestra vida diaria, donde la energía eléctrica se transforma en energía mecánica por medio de campos magnéticos. Por ejemplo: el motor de un taladro, de un ventilador, de un secador de pelo…
En este video se explica con detalle su funcionamiento.
Vídeos muy ilustrativos para explicar la relación entre electromagnetismo y corriente eléctrica. Además de mostrar de una forma muy visual como al aplicarle corriente a una bobina solenoide se produce el efecto magnético, nos da pie para hablar con los alumnos de como generamos la corriente, tan necesaria en la sociedad actual, mediante magnetismo y movimiento.
Ampere (1775-1836) en 1825 en su obra “Teoría matemática de los fenómenos electrodinámicos deducida exclusivamente a partir de la experiencia“ formuló los fundamentos teóricos del electromagnetismo, conocidos como la “Ley de Ampère”, donde se postulaban la relación básica que existe entre la corriente eléctrica y el surgimiento de un campo electromagnético. Esta ley dice: “Toda corriente rectilínea que obra sobre un imán, lo desvía siempre de su posición de equilibrio, de modo que el polo austral del imán se dirija a la izquierda del observador y por lo tanto, a la izquierda de la corriente”. De esta forma describe las fuerzas que dos conductores paralelos atravesados por corriente eléctrica ejercen uno sobre otro. Si el sentido de la corriente es el mismo en los dos conductores, estos se atraen; si la corriente se desplaza en sentidos opuestos, los conductores se repelen. Esta ley se puede entender a través del siguiente video.
Me ha encantado ver los videos y los comentarios a estos. Alucino con la cantidad de aplicaciones que tienen los electroimanes en nuestro día a día. A mi pequeño vástago, apasionado de la electricidad, le encanta ver el funcionamiento de las cosas eléctricas (secador, ventilador, etc), por lo que ahora ya tengo más conocimientos para calmar su curiosidad. Gracias!
Este experimento es muy interesante ya que ilustra de forma visual la acción de dos leyes físicas: la ley de Ampère y la ley de Faraday-Lenz. Estas dos leyes forman parte de las ecuaciones de Maxwell (conjunto de cuatro ecuaciones que unifican el electromagnetismo), por lo que puede suponer un buen ejemplo para explicarlas. También es destacable que el experimento puede ser ampliable ya que se puede estudiar qué ocurriría si los solenoides tuviesen distinto número de espiras o si las intensidades de corriente fuesen distintas.
En relación a la historia del electromagnetismo, podemos señalar que electricidad y magnetismo se desarrollaron de forma paralela e independiente hasta el año 1820, cuando Hans Christian Ørsted demostró́ experimentalmente que existía una relación clara entre los fenómenos eléctricos y magnéticos al comprobar que una corriente eléctrica era capaz de desviar una aguja imantada situada en sus proximidades. Concluyó así, que una corriente eléctrica produce un campo magnético en el espacio que la rodea y acuñó el término de electromagnetismo. Basándose en este descubrimiento, André Marie Ampère fue capaz de elaborar una amplia base teórica para explicar este nuevo fenómeno y esta línea de trabajo le llevó a formular los fundamentos teóricos del electromagnetismo, conocidos como la “Ley de Ampère”. Como se puede ver en el experimento de esta entrada, demostró que dos corrientes eléctricas interactúan, atrayéndose o repeliéndose, los respectivos conductores y propuso la teoría de que las corrientes eléctricas son la causa de todos los fenómenos magnéticos. En la actualidad se reconoce, en general, que todos los efectos magnéticos observados se deben al movimiento de la carga eléctrica, como en una corriente eléctrica, y a ciertas propiedades magnéticas intrínsecas de los constituyentes microscópicos de la materia, sobre todo las que se asocian con el spin del electrón. El amperio, unidad de intensidad de corriente eléctrica, una de las unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades, se denomina así en su honor.
La inducción entre bobinas se utiliza en la construcción de transformadores de corriente alterna que permite aumentar o disminuir el voltaje de distribución, manteniendo la misma frecuencia, que se realiza para disminuir pérdidas en la distribución. La bobina conectada a la fuente de tensión se llama bobina primaria, las conectada a la red recibe el nombre de bobina secundaria. La relación entre tensiones entre primario y segundario se corresponde la relación entre espiras de estos bobinados. Un recurso educativo para educación secundaria que sirve para explicar este principio y sus aplicaciones en máquinas eléctricas puede encontrarse aquí.
Para llevar el concepto de electromagnetismo a la vida diaria, sería este un buen momento para explicar a los alumnos el funcionamiento del horno microondas de este modo un concepto teórico se convierte en algo curioso y atractivo para los alumnos.
Vídeo moi visual para entender como interacionan dúas bobinas ao aplicarlles corrente, pero recordemos o funcionamento dunha bobina: ao circular por ela unha corrente eléctrica xerase ao seu alrededor un campo magnético, e á inversa, se facemos que un campo magnético se mova a través da bobina xerase nela unha tensión eléctrica. Atendendo a estes ‘enunciados’ funcionan (con diferente número de bobinas), por exmplo, as electroválvulas, os motores eléctricos, os interruptores diferenciais, os transformadores eléctricos ou os timbres.
Un ejemplo de interacción entre dos campos electromagnéticos se puede observar, o más bien escuchar, mediante el instrumento musical electrónico el theremín. El theremin tiene la particularidad de ser controlado sin la necesidad de contacto físico del intérprete (thereminista) con el instrumento. El instrumento consta de dos antenas metálicas que detectan la posición relativa de las manos del thereminista para controlar la frecuencia con una mano y la amplitud (volumen) con la otra. Las señales eléctricas de theremín se amplifican y se envían a un altavoz. Pero ¿como funciona? “El cuerpo humano en en sí mismo un organismo electromagnético. Todo el mundo tiene un campo electromagnético medible que le rodea. Por lo tanto, nuestro cuerpo es capaz de conducir la electricidad y almacenar cargas eléctricas. Las dos antenas del theremín se conectan a circuitos oscilantes de radiofrecuencia. Un oscilador tiene una frecuencia fija, mientras que el otro tiene una frecuencia variable. Al interponer su propio campo electromagnético, el intérprete interrumpe as oscilaciones del theremín. El theremín mide la diferencia entre los osciladores de frecuencia fija y variable y la traduce en una señal de audio.”
El campo magnético es un fenómeno muy importante que suele resultar invisible. Ilustrarlo con las limaduras de hierro facilita su entendimiento.
Este experimento sería una buena introducción del funcionamiento de un transformador eléctrico, ya que se trata de dos bobinas que comparten circuito magnético. Al aplicar tensión eléctrica alterna a la primera bobina por ella circulará una corriente que generará un campo magnético que a su vez generará otra tensión en la segunda bobina. Variando la relación del número de vueltas de hilo de las dos bobinas se consigue que la tensión en la segunda bobina sea una fracción de la tensión de la primera.
Fantásticas demostracións para que o alumnado comprenda os efectos do electromagnetismo. Sen dúbida, as bobinas e os solenoides son elementos fundamentais na ensinanza da física. Propoño complementar estes experimentos cun recollido na Revista Española de Física no que se propón o estudo cuantitativo da indución electromagnética entre dúas bobinas en función do número de espiras dunha delas. Penso que sería unha experiencia idónea para poñer en práctica os coñecementos electromagnéticos do alumnado.
Una aplicación del electromagnetismo en la medicina es la Imagen por Resonancia Magnética (IRM), que utiliza un campo magnético y ondas de radiofrecuencia para obtener imágenes tridimensionales del interior del cuerpo de manera no invasiva, permitiendo así caracterizar anomalías congénitas, tumores, enfermedades neurodegenerativas y procesos epilépticos, metabólicos e infecciosos. Su funcionamiento se basa en la estimulación y detección del cambio en la dirección del eje de rotación de los protones que se encuentran en el agua que compone los tejidos vivos. En este artículo web del National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering se explica más en detalle su funcionamiento y aplicaciones.
Como indica Patricia en sus comentarios los campos magnéticos son super importantes en la medicina actual y en su máximo exponente hoy en día son las comúnmente llamadas resonancias. Dentro de estos sistemas existe un gran imán permanente refrigerado por helio. Para variar el campo y codificar el espacio y obtener una imagen se usan 3 potentes bobinas, los gradientes. Hoy en día trabajo en General Electric Healthcare y me gustaría indicar que en el artículo del link que aporta, la primera imagen que aportan corresponde a un PET-TAC de GE, no una resonancia, es muy común confundir TAC y Resonancia debido a que su configuración es muy parecida, el paciente se introduce en un agujero para su diagnóstico. Por otro lado la realidad es que las resonancias abiertas están cada vez mas en desuso, ya que ofrecen un campo mas bajo y en consecuencia peor calidad de imagen.