Practica 8: Bobina de Helmholtz

Bobina de Helmholtz

I. Objetivos:

• Aprender a medir y caracterizar campos magnéticos.
• Adquirir conocimientos prácticos sobre distribución espacial de la intensidad del campo magnético generado por las bobinas de Helmholtz.

II. Fundamentación Teórica

Magnetismo
Historia de las Bobinas de Helmholtz
Historia del electromagnetismo
Interacción campo magnético-corriente
La espira
Tablas, símbolos y características técnicas

Campo magnético generado por la bobina de Helmholtz

Las bobinas de Helmholtz se pueden construir fácilmente, éstas consisten en dos bobinas circulares de radio R y separadas por una distancia igual a su radio, como lo muestra la Figura 1. Si ambas espiras tienen un número de arrollamiento igual a N y por ambas espiras circula una corriente I (en el mismo sentido), se tiene que el campo magnético en el centro de las espiras es constante dentro de un volumen de radio R3. El valor del campo magnético dentro de la espira viene dado por:

Dado un circuito cerrado recorrido por una corriente continua i, el campo magnético que crea viene dado por la expresión

que constituye la ley de Ampare-Laplace o de Biot-Savart.


El campo magnético creado por una espira circular en un punto cualquiera es difícil de calcular, pero si consideramos solamente puntos sobre su eje de simetría el cálculo es sencillo, obteniéndose

En función del momento magnético de la espira,

(en este caso m = ipR2)

Esta configuración de espiras frecuentemente empleada (bobinas de Helmholtz), básicamente consisten en dos solenoides circulares del mismo radio R y con un eje común como muestra la Figura 2, separados por una distancia tal que la segunda derivada del campo magnético B se anula en el punto del eje equidistante de ambos solenoides (punto medio). Esto se consigue para una separación entre los dos solenoides igual a su radio R.

Las bobinas de Helmholtz desempeñan un papel importante en la investigación científica, donde se utiliza frecuentemente para producir un campo magnético relativamente uniforme en una pequeña región del espacio.

El módulo del campo magnético creado por la bobina de Helmholtz en un punto a una distancia z de uno de los solenoides y sobre el eje es

cuando las intensidades en los solenoides tienen el mismo sentido, y en el punto medio entre los dos solenoides y sobre el eje, el campo es

III. Montaje Experimental

Figura 1. Campo magnético de las bobinas de Helmholtz.

Figura 2. Diagrama de las bobinas de Helmholtz.

Figura 3. Conexión de bobina de Helmholtz.

IV. Materiales

· Bobinas de Helmholtz.
· Base para las bobinas.
· Teslámetro.
· Fuente de Voltaje.
· Multímetro.
· 5 Cables banana-banana.
· Mordaza de mesa.
· Regleta deslizable.
· Cinta adhesiva.

. Imán

. Limadura de hierro

V. Reglas de Seguridad

Lea las instrucciones de las bobinas.
No sobrepase los límites de corriente.
La sonda del teslámetro es un instrumento frágil y caro. Trátelo con cuidado.


VI. Procedimiento Experimental

1.       1. Visualización del campo magnético de un imán.
Como ya hemos visto en libros el dibujo del campo magnético de un imán, vamos a iniciar visualizando el campo magnético con limadura de hierro, poniendo una hoja sobre el imán y se esparce la limadura de hierro sobre la hoja, no debe quedar limadura sobre el imán. Posteriormente, habiendo retirado ya la limadura, mediremos con el teslámetro para conocer mejor dicho campo (caracterizar el campo). se sugiere una hoja como la siguiente imagen y medir sobre los ejes dibujados.

2. Caracterización del campo magnético de una bobina. 

En este experimento el estudiante debe medir la distribución radial y axial del campo magnético de una bobina circular. Para realizar la medición del campo magnético se utilizará el teslámetro. Este equipo basa su funcionamiento en el efecto Hall. La sonda permite medir la componente del campo magnético en la dirección normal al plano del sensor. Se sugiere también la siguiente hoja.

Después delas mediciones esparcir también sobre la hoja limadura de hierro para visualizar el campo.

2. Estudio de la influencia de la separación de las bobinas sobre la distribución del campo magnético.
En este experimento el estudiante debe medir la distribución axial del campo de dos bobinas acopladas para varias separaciones de las mismas, incluyendo una separación igual al radio de las bobinas.

3. Caracterización del campo magnético de las bobinas de Helmholtz.
En este experimento el estudiante debe medir meticulosamente la distribución radial y axial del campo magnético de las bobinas de Helmholtz.

VI. Presentación de Resultados y Análisis

Los resultados de las mediciones se deben organizar en forma de tablas.

La forma del campo mostrarla con imágenes tomadas del experimento
Las distribuciones de campo se deben presentar en forma de gráficos.
Se deben comparar los resultados experimentales con los teóricos
Se deben analizar las posibles discordancias y sacar conclusiones.


VI. Preguntas y tareas.

¿Cómo es el campo magnético en el interior de las bobinas de Helmholtz?

¿Qué aplicaciones tiene la bobina de Helmholtz?

Utilizando la ley de Gauss, demuestre que en un campo magnético con simetría cilíndrica, la relación entre las componentes radial y axial vine dada por:

4. Demuestre que la separación entre las bobinas es la óptima cuando ésta es igual al radio de la bobina.