Lenz´s Law
23 Mar, 2013
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PDFThrough a tube
PRESENTATION: When a powerful Neodymium magnet is dropped inside a copper tube a partial slowdown in its fall is perceptible due to the induced currents, which oppose the causes that produce them.
- 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)
INTRODUCTION: Faraday’s law is a basic law of electromagnetism that establishes that the voltage induced in a circuit is directly proportional to the speed at which the magnetic flow which goes through the circuit section changes.
Lenz’s Law postulates that an electromagnetic force (e.m.f.) induced always generates a current that provokes a variable magnetic field which opposes the change of the magnetic flow that induced it. The negative sign in Faraday’s Law is due to this law.
Foucault’s currents constitute an electric phenomenon which is produced when a conductor goes through a variable magnetic field, or vice versa. The relative movement induces currents inside the conductor. These Foucault’s currents behave like magnets which oppose the effect of the applied magnetic field.
OBJECTIVE: To observe what happens when a magnet is dropped through a conductor tube.
MATERIALS: copper tube (l=1m Ø=5cm), aluminum tube (l=1m Ø=5cm), Neodymium magnets, chronometer, non-magnetic weight (same mass as the magnets).
SETUP: A tube is held and the non-magnetic weight is dropped (approximately the same mass than the magnets). The same procedure is followed with the magnets and their speed is measured. These two steps are followed for both tubes, copper, and aluminum; finally, both are compared dropping them at the same time.
EXPLANATION: When a magnet is dropped through a conductor tube, it makes the magnetic flow vary in such a way that it induces currents that generate fields as opposed to those of their fall. If the magnet falls with the South Pole facing down and we see it for a fixed moment. The flow in the South Pole zone rises (more field lines come in from bottom to top), which creates a clockwise current that generates a magnetic field downwards. In the South Pole zone, the magnetic flow diminishes (many field lines go inside from bottom to top), and this is the reason why a counterclockwise current is induced, which creates a magnetic field from bottom to top.
If the position of the magnet were the opposite, a counterclockwise current in the North Pole part would appear, and a clockwise one in the South Pole.
In both cases, the current which is placed under the magnet repels the magnet, while the one placed above attracts it. So, a magnetic field appears which compensates for the weight. The terminal velocity depends of the resistivity, diameter, and thickness of the walls of the conductor tube and of the weight and power of the magnet. That’s why, under the same conditions, for copper and aluminum tubes, the velocity is 1.6 times higher in the aluminum (copper has less resistivity).
CONCEPTS: Faraday’s law, Lenz’s law, Foucault’s currents.
MORE INFORMATION:
- WIKIPEDIA 1
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- SC.EHU.ES
- EXTRAS 1
- EXTRAS 2
TEXTS:
- 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.
STUDENTS 2011-2012: Enrique Braña, Adrián Regueira, Guillermo Rial, Aday Rivera
LINK pdf STUDENTS (in Galician):
STUDENTS 2012-2013: Daniel Díaz, Agustín Moreira, Fabián Valera, Carlos Vázquez
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
9 responses to "Lenz´s Law"
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.