Escuela Superior Politécnica del Litoral
GENERACIÓN DE CORRIENTE ELÉCTRICA A TRAVÉS DE
INDUCCIÓN MAGNÉTICA
José Gabriel Burbano Flores
José Steeven Cepeda Moreira
Tamara Estefanía Moreno Almeida
Hernán Guillermo Peñaherrera Orbe
Edisson Paúl Sánchez Castro
Madelyne Carolina Velasco Mite
Enero 2016
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Resumen
En este proyecto, vamos a demostrar que es posible crear una corriente que sea
capaz de encender unos leds por unos instantes. Para demostrar esto, nos basaremos en la
inducción electromagnética que indica que un campo magnético variable (un imán en
movimiento) genera corriente eléctrica en un inductor (bobina que es atravesada por el
imán). Tras generar una corriente en el inductor, el imán seguirá andando en la pista por lo
que lo pararemos con otro imán debido a la atracción entre polos magnéticos opuestos.
Palabras clave: imán, inducción electromagnética, inductor, bobina, corriente, polo
magnético
Conteo: 85
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Abstract
In this proyect, we will demonstrate how to create electric current to be able to turn
on several leds for an instant. Based on electromagnetic induction, a moving magnet will
create a variable magnetic field that when in presence of an inductor (cooper coil), will
create current within the coil to turn on the leds. After passing the coil, the magnet will
parry due to attracting opposite magnetic poles.
Keyword: current, electromagnetic induction, inductor, coil, magnet, magnetic pole
Word count: 85
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Tabla de contenido
Resumen.....................................................................................................................2
Abstract......................................................................................................................3
Introducción...............................................................................................................5
Marco teórico.............................................................................................................7
Corriente................................................................................................................7
Campo magnético..................................................................................................7
Inducción magnética.............................................................................................8
Ley de Faraday......................................................................................................9
Ley de Lenz............................................................................................................9
Imán y bobina......................................................................................................10
Diseño.......................................................................................................................11
Materiales.............................................................................................................11
Modelo..................................................................................................................11
Conclusiones y recomendaciones...........................................................................12
Anexo A: Gastos del proyecto................................................................................13
Tabla de ilustraciones.............................................................................................14
Referencias...............................................................................................................15
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Introducción
Existen muchas maneras de obtener energía para generar electricidad actualmente
tal como la energía eólica, térmica, hidráulica, etc. pero ahora nos vamos a enfocar sobre la
energía eléctrica producida por generadores magnéticos.
En el presente, existen linternas que no necesitan baterías para poder encender y
requieren menos mantenimientos porque están basadas en los principios del
electromagnetismo. Estas son muy útiles para casos donde se fue la luz y estamos a
oscuras. Basta con agitarlas unos cuantos segundos para tener luz durante unos minutos.
Esta linterna se basa en un experimento básico llamado “linterna mágica” donde se mueve
un imán cerca de la bobina y fue presentada en clase.
Imagen 1: Linterna mágica, conocida también como linterna de Faraday
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Imagen 2: Partes de una linterna de Faraday
Imagen 3: Diagrama de una linterna mágica casera
En la imagen 3, podemos ver un diseño casero para una linterna “mágica”. En base
a esto haremos algo similar usando una bobina más grande con un imán de mayor potencia
para prender más leds (5 en total).
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Marco teórico
Para entender con mejor detalle de cómo se van a encender los leds, tenemos que
revisar ciertos conceptos:
Corriente
La corriente eléctrica es la tasa de flujo de carga que pasa por un determinado punto
de un circuito eléctrico, medido en Culombios/segundo, denominado Amperio. En la
mayoría de los circuitos eléctrico de DC, se puede asumir que la resistencia al flujo de la
corriente es una constante, de manera que la corriente en el circuito está relacionada con el
voltaje y la resistencia, por medio de la ley de Ohm. Las abreviaciones estándares para esas
unidades son 1 A = 1 C/s (Olmo & Nave, Electric current, 2008)
Campo magnético
Los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas, las cuales pueden
ser corrientes macroscópicas en cables, o corrientes microscópicas asociadas con los
electrones en órbitas atómicas. El campo magnético B se define en función de la fuerza
ejercida sobre las cargas móviles en la ley de la fuerza de Lorentz. La interacción del
campo magnético con las cargas, nos conduce a numerosas aplicaciones prácticas. Las
fuentes de campos magnéticos son esencialmente de naturaleza dipolar, teniendo un polo
norte y un polo sur magnéticos. La unidad SI para el campo magnético es el Tesla, que se
puede ver desde la parte magnética de la ley de fuerza de Lorentz, Fmagnética = qvB, que
está compuesta de (Newton x segundo)/(Culombio x metro). (Olmo & Nave, Magnetic
field, 2008)
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Imagen 4: Líneas de campo magnético de una barra magnetizada
Inducción magnética
La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan
campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los
portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en
el conductor.
Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene la diferencia de potencial entre
dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.
La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado
por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son
los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un
conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las
cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).
Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento: si acercamos o
alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza
electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el
conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que
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se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con
respecto al tiempo genera corriente eléctrica.
Ley de Faraday
Cualquier cambio del entorno magnético en que se encuentra una bobina de cable,
originará un "voltaje" (una fem inducida en la bobina). No importa cómo se produzca el
cambio, el voltaje será generado en la bobina. El cambio se puede producir por un cambio
en la intensidad del campo magnético, el movimiento de un imán entrando y saliendo del
interior de la bobina, moviendo la bobina hacia dentro o hacia fuera de un campo
magnético, girando la bobina dentro de un campo magnético, etc. (Martín Blas & Serrano
Fernández, 2014)
Ley de Lenz
Cuando se genera una fem por cambio en el flujo magnético, de acuerdo con la ley
de Faraday, la polaridad de la fem inducida es tal que produce una corriente cuyo campo
magnético, se opone al cambio que lo produjo. El campo magnético inducido en el interior
de cualquier bucle de cable, siempre actúa para mantener constante el flujo magnético del
bucle. En el ejemplo de abajo, si el campo B aumenta, el campo inducido actúa en
oposición. Si está disminuyendo, el campo magnético actúa en la dirección del campo
aplicado, para tratar de mantener constante. (Olmo & Nave, Faraday´s Law, 2008)
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Imagen 5: Dirección de la corriente debido a una variación del campo magnético
Imán y bobina
Cuando se mueve un imán dentro de una bobina de cable, cambiando el campo
magnético y el flujo magnético a través de la bobina, se generará un voltaje en la bobina de
acuerdo con la ley de Faraday. En el ejemplo que se muestra abajo, cuando el imán se
mueve hacia el interior de la bobina, el galvanómetro se desvía a la izquierda en respuesta
al aumento del campo magnético. Cuando el imán se empuja hacia afuera, el galvanómetro
se desvía hacia la derecha, en respuesta a la disminución del campo. La polaridad de la fem
inducida es tal que esta produce una corriente cuyo campo magnético se opone al cambio
que lo produjo. El campo magnético inducido en el interior de cualquier bucle de cable,
siempre actúa para mantener el flujo magnético del bucle constante. Este comportamiento
inherente de los campos magnéticos generados, se sumariza en la ley de Lenz.
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Diseño y creación
Modelo
Para nuestro modelo, decidimos usar una base de madera con una canaleta de PVC
para que funcione como la pista por la cual se deslizará el imán. Consideramos que es una
base sencilla pero bastante funcional para los objetivos del proyecto.
Imagen 6: Diagrama de la base usada por el proyecto
Como otras ideas para el proyecto tuvimos:
Realizar un movimiento armónico haciendo una pista parabólica
Realizar una pista circular estilo de autos de juguete de carrera
Estas ideas fueron rechazadas por no cumplir con los objetivos del proyecto o
desviarse mucho de ellos.
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Materiales
Para el proyecto, se usó lo siguiente:
General
5 leds (colores variados)
1 protoboard
1 bobina de alambre de cobre (2050 vueltas y 4 cm de largo)
1 imán cilíndrico (6600 gauss)
1 canaleta de PVC
1 embudo
Varios pedazos largos de madera
Pintura en spray color café
Barniz
Levitador
3 baterías de 9 V
Cinta aislante
1 Bobina de alambre de cobre casera
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Proceso de creación de la base
La base tardó en ser completada en varios días mientas íbamos probando las formas
adecuadas para el mismo. Se fueron añadiendo piezas para nivelarlo y además para
estabilizar la canaleta cuando el imán pasara a través de ella (existían desvíos o bajos a
medida que pasaba)
Imagen 7: Miembros del equipo durante la creación de la base
En esta parte algunos miembros aprendieron a usar nuevas herramientas y buscar
otras opciones en caso de no encontrar trabajo como ingenieros.
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Resultados
Imagen 8: Base casi acabada
En la imagen 8 podemos ver la base casi acabada luego de un arduo trabajo.
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Cálculos
Mediciones
Para calcular los valores de la fem inducida por la bobina, fuimos al laboratorio de
física C para PPL a medirlo.
Imagen 9: Valores durante la medición
Los valores obtenidos fueron:
1.5 mA
65 mV
Para calcular la aceleración con la que desciende el imán
∑ F y=mgcosθ−N=0
N=mgcosθ
∑ F x=∫π2
0
(mg sinθ−uk N ) dθ=ma
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∫π2
0
mgsin θ dθ−¿∫π2
0
uk mgcos θ dθ=ma¿
g[cos π2−cos0]−guk .[sin 0−sin π
2 ]=a
a=3,92 ms
Para calcular la velocidad con que el imán atraviesa la bobina
v f y
2 =voy
2 +2 ah
v f y=√2 ah
Vf =2.6 ms
Para calcular la fem inducida por la bobina
ε=N d∅dt
ε=NBlv
ε=2050 (0.66 ) (1.84 x10−5 ) (2.6 )
ε=0.65 V
Resistencia de la bobina usada para encender los leds
V=IR
Vfuente−Vled=IR
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R=1.74 Ω
Para calcular la resistencia de los Leds se usa la Ley de Ohm
V=IR
R=VI
R= 65 x10−3
1.5 x10−3
R=43.3Ω
Para la Calcular la Resistencia en un Circuito en paralelo y dado que son Leds
idénticos tienen la misma resistencia
1Req
= 5R
Req= 43.35
Req=8.67 Ω
La corriente total de los leds
I= VReqv
I=5.288.67
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I=0.61 A
La potencia disipada por la bobina
P=VI
P=5.28 (0.61)
P=3.22W
Campo asumido para el frenado
B=B ¨
0.66 ≥ B ¨
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Conclusiones y recomendaciones
Pudimos comprobar que a través de la inducción magnética, podemos producir
energía eléctrica. Mientras más rápido varíe el campo magnético, mayor energía vamos a
producir. Este proyecto puede ser útil para realizar lámparas mágicas caseras como se ve en
la imagen 1 ya que conocemos mejor su funcionamiento y se puede aplicar en la vida real.
Además, debido a esto sabemos qué significa una unidad de corriente en la vida real para
tener en cuenta a futuro. Así podremos darnos cuenta a ojo si el resultado está bien o mal.
Como recomendación, podría ser para futuros proyectos de especificar un tope
máximo de gastos para todos los equipos cuando se deban construir modelos. Esto se debe
a que no todos están en condiciones de aportar en iguales cantidades para el mismo. Las
revisiones deberían incluir los cálculos para asegurarnos que esté aún mejor nuestro
proyecto.
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Anexo A: Gastos del proyecto
Ítem Precio($)
Cable de cobre 10
Canaleta 2
Imán 30
Imán para freno 2
Embobinado 15
Pintura 10
Baterías 15
Total 84
Imagen 10: Gastos realizados
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Tabla de ilustraciones
Imagen 1: Linterna mágica, conocida también como linterna de Faraday 5
Imagen 2: Partes de una linterna de Faraday 6
Imagen 3: Diagrama de una linterna mágica casera 6
Imagen 4: Líneas de campo magnético de una barra magnetizada 8
Imagen 5: Dirección de la corriente debido a una variación del campo magnético 10
Imagen 6: Diagrama de la base usada por el proyecto 11
Imagen 7: Miembros del equipo durante la creación de la base 13
Imagen 8: Base casi acabada 14
Imagen 9: Valores durante la medición 15
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Referencias
Burbano, J., Cepeda, J., Moreno, T., Peñaherrera, H., Sánchez, P., & Velasco, M. (29 de
Enero de 2016). Proyecto de Fisica C. Obtenido de YouTube:
https://www.youtube.com/watch?v=uyowb1fRhIM&feature=youtu.be
Martín Blas, T., & Serrano Fernández, T. (Octubre de 2014). Inducción magnética.
Obtenido de Conceptos de física básica:
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/
induccion.html
Olmo, M., & Nave, R. (2008). Electric current. Obtenido de HyperPhysics:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/elecur.html
Olmo, M., & Nave, R. (2008). Faraday´s Law. Obtenido de HyperPhysics:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/farlaw.html
Olmo, M., & Nave, R. (2008). Magnetic field. Obtenido de HyperPhysics:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/magfie.html
Young, H., & Freedman, R. (2013). Física Universitaria con Física Moderna. México:
Pearson.
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