Magnetismo - Ludifisica

Anuncio
C u r s o : Física Común
Material FC-15
Magnetismo
JEAN PERRIN (1870 – 1942)
Nació en Lille. Profesor de la Universidad de París. Ganó el
Premio Nobel 1926 de Física por su trabajo sobre la
discontinuidad en la estructura de la materia y, en particular, por
su descubrimiento del equilibrio de sedimentación.
Entre los siglos XI y XII se extendió el uso de la brújula en la navegación. A diferencia del uso de cuadrantes y
de la observación del sol y otras estrellas, la brújula permitía una orientación precisa incluso con un mal tiempo.
En consecuencia, este instrumento magnético facilito los viajes por mar durante meses nubosos de invierno y
ayudo a incrementar el comercio marítimo.
EL FUNDAMENTO DE LA BRÚJULA.
La brújula es esencialmente una aguja imantada.
El hecho de que una brújula indicase siempre la misma
dirección fue, durante bastante tiempo, el objeto de muchas
supersticiones. Hasta que su uso se hizo sistemático, muchos
capitanes de navío solían usar las brújulas en secreto para
no despertar en su tripulación temores infundados.
En un imán, la capacidad de atraer al hierro es mayor en la
cercanía de sus extremos o polos. Los dos polos de un imán
reciben el nombre de polo norte y polo sur, debido a que
un imán tiende a orientarse según los polos geográficos
de la tierra, la que es un gran imán natural.
El polo norte del imán (brújula) se orienta hacia el norte geográfico de la tierra y el polo sur del imán, hacia el
sur geográfico.
En la actualidad, las aplicaciones del magnetismo continúan siendo muy importantes: almacenamos información
en los discos magnéticos de los ordenadores y grabamos música en cintas magnéticas, generamos campos
magnéticos para acelerar partículas y, a partir de estas, creamos isótopos radiactivos con aplicaciones médicas.
También en el campo de la medicina se ha desarrollado la técnica de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)
como herramienta para obtener imágenes de zonas del organismo para emitir posibles diagnósticos clínicos.
El magnetismo es también fundamental en el funcionamiento de televisores, altavoces, aparatos de medida
eléctricos y en muchos artefactos de uso diario.
Fuentes y Propiedades de los imanes
Un imán es un cuerpo capaz de atraer fuertemente los objetos de hierro. Las propiedades magnéticas de los
imanes son conocidas desde la antigüedad. El primer imán natural conocido fue la magnetita (tetraoxido doble
de hierro (II) y de hierro (III): Fe 3O4) un mineral bastante común en la región de magnesia (Asia Menor). Según
la tradición, fue descubierto por un pastor al acercar la punta de hierro de su bastón a una piedra de magnetita y
comprobar cómo este era atraído.
También sabemos, desde el siglo XIX, que las corrientes eléctricas presentan propiedades magnéticas como
los imanes. Como veremos, las propiedades magnéticas de los imanes y de las corrientes eléctricas tienen un
origen común: el movimiento de cargas eléctricas.
Una de las propiedades importantes de los imanes es que si acercamos, dos imanes distintos, observamos que
polos de igual tipo se repelen y que polos de diferente tipo se atraen, de igual forma que las cargas
eléctricas en reposo
Existen varios procedimientos sencillos para fabricar imanes
artificiales: imantación por frotamiento, imantación por influencia
e imantación por corriente eléctrica.
También el hierro, el cobalto, el níquel o las aleaciones de
dichos metales pueden convertirse en imanes artificiales.
Éstos son los imanes que usamos habitualmente.
Otra propiedad mportante de los imanes se refiere a que los
imanes siempre presentan dos polo opuestos, de modo
que al romper un imán por la mitad, no obtenemos un polo norte
y un polo sur aislados, sino que obtenemos dos imanes más
pequeños,cada uno de ellos con su pareja de polos norte y sur.
2
LA EXPERIENCIA DE OERSTED
En 1819 el físico danés Hans Oersted demostró que una corriente eléctrica posee propiedades similares a las
de un imán. Cuando Oersted explicaba en una de sus clases qué era la corriente eléctrica que había
descubierto Volta, acercó distraídamente una brújula a un conductor por el que circulaba corriente y observó
que la aguja imantada sufría una desviación.
A partir de esta, aparentemente, insignificante observación, Oersted siguió investigando y obtuvo una serie de
resultados que ayudaron a comprender el magnetismo:
ƒ
ƒ
ƒ
Cuando colocamos una brújula cerca de un conductor por el que pasa una corriente eléctrica, la brújula se
orienta perpendicularmente al conductor y deja de señalar hacia el polo norte.
Si aumentamos la intensidad de la corriente eléctrica que circula por el conductor, la brújula gira mas
rápidamente, hasta colocarse perpendicular al mismo.
Si invertimos el sentido de la corriente eléctrica, es decir, si invertimos las conexiones que unen al
conductor con la pila, la brújula sigue orientada perpendicularmente al conductor, pero el sentido en que se
orienta es, justamente,el opuesto al caso anterior.
La experiencia de Oersted nos indica que las cargas eléctricas en reposo no producen el magnetismo, sino que
son las corrientes eléctricas, es decir, las cargas eléctricas en movimiento, las responsables de él.
Por lo tanto, si una corriente eléctrica es capaz de desviar una brújula, debemos suponer que las cargas
eléctricas en movimiento producen los mismos efectos de los imanes.
De acuerdo con la tercera ley de Newton, la ley de acción y reacción, si una corriente eléctrica ejerce fuerza
sobre un imán, es lógico suponer el efecto contrario; la acción de un imán sobre una corriente eléctrica.
Al aproximar un imán a una espira metálica
a la que se ha conectado un amperímetro,
se detecta el paso de corriente, siempre
que el imán esté en movimiento.
Si alejamos el imán de la espira, en vez de
acercarlo a ella, el sentido en que circula la
corriente es el contrario.
3
En 1832, Faraday observó que esta suposición era correcta: al aproximar un imán a una espira metálica se
observa que, mientras el imán está en movimiento respecto a la espira, por ésta circula una corriente eléctrica.
A este fenómeno lo denominamos inducción electromagnética y es la base, por ejemplo, del funcionamiento
de los transformadores .
El magnetismo es, por tanto, un fenómeno íntimamente relacionado con la electricidad. Ello explica que el
electromagnetismo sea uno de los temas de estudio de gran importancia en la Física y en la Ingeniería.
Una carga eléctrica en reposo produce un campo eléctrico y si la carga eléctrica está en movimiento
produce, además, un campo magnético.
La interacción del campo eléctrico y del campo magnético, en movimiento, da lugar a fenómenos
electromagnéticos como son la emisión de ondas luminosas, ondas de Radio y de TV, entre otras.
EXPLICACIÓN DEL MAGNETISMO NATURAL
Experiencias posteriores a la de Oersted confirmaron que las corrientes eléctricas producen los mismos efectos
que los imanes.
Ampére observó que las corrientes eléctricas se atraían o repelían entre sí y que podían atraer limaduras de
hierro. En 1823, sugirió que el magnetismo natural era debido a pequeñas corrientes cerradas en el interior de
la materia.
En la actualidad, identificamos esas pequeñas corrientes con el movimiento de los electrones en el interior de
los átomos. Un electrón que gira alrededor del núcleo equivale a una corriente que produce los mismos efectos
magnéticos que un pequeño imán. Por otro lado, los electrones giran sobre sí mismos produciendo efectos
magnéticos adicionales (spin).
Podemos imaginar que en cualquier material existen muchos imanes de tamaño atómico. En la mayoría de los
casos, estos pequeños imanes o dipolos magnéticos están orientados al azar y sus efectos se cancelan. Sin
embargo, en ciertas sustancias, estos dipolos magnéticos están orientados en el mismo sentido. En tal caso, los
efectos de cada dipolo magnético se suman formando un imán natural.
Para explorar la relación que existe entre la corriente eléctrica y el magnetismo, nada mejor que realizar una
pequeña experiencia para la cual es necesario un clavo o un tornillo de acero de unos 6 cm de largo, unos
clips, una pila de tipo AA de 1,5 voltios y cable del utilizado para instalaciones de teléfono. Para fabricar un
electroimán necesitamos enrollar el cable en torno al clavo, de modo que haya unas 50 vueltas. Cuando
conectamos los bordes de la pila, el clavo se trasformara en un imán capaz de atraer los clips. Cuando
desconectamos los cables de la pila, el clavo perderá su magnetismo y los clips dejaran de ser atraídos. Esta
experiencia requiere de cuidado, pues la corriente eléctrica no sólo produce magnetismo, sino que también
genera calor, de modo que tanto el cable como la pila pueden alcanzar una temperatura alta.
En un electroimán las posiciones de los polos norte y sur dependen del sentido de avance de la corriente
eléctrica, de manera que al cambiar la posición de los polos positivo y negativo también se modifican las
posiciones de los polos del imán.
4
¿QUÉ ENCONTRAMOS DENTRO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTÍNUA?
Existen diferentes tipos de motores, pero de entre todos tal vez sean los llamados “motores de corriente
continua” los que permiten ver de un modo más simple cómo obtener movimiento. Gracias a la interacción entre
el campo magnético creado por una corriente y un campo magnético fijo.
La figura muestra de modo esquemático las partes principales de un motor de corriente continua.
El elemento situado en el centro es la parte del motor que genera movimiento. Se la llama armadura o rotor, y
consiste en un electroimán que puede girar libremente en torno a un eje. Dicho rotor está rodeado por un imán
permanente, cuyo campo magnético permanece fijo.
El electroimán recibe la corriente a través del contacto establecido entre las escobillas y el conmutador.
Las escobillas permanecen fijas, mientras que el conmutador puede girar libremente entre ellas siguiendo el
movimiento de rotor.
Cuando la corriente pasa a lo largo del electroimán, sus polos son atraídos y repelidos por los polos del imán
fijo, de modo que el rotor se moverá hasta que el polo norte del electroimán quede mirando al polo sur del imán
permanente. Pero tan pronto como los polos del rotor quedan “mirando” a los polos del imán, se produce un
cambio en el sentido de la corriente que pasa por el rotor. Este cambio es debido a que el conmutador, al girar,
modifica los contactos con las escobillas e intercambia el modo en que el electroimán recibe la corriente de la
pila.
Al modificarse el signo de los polos del electroimán, los polos del rotor resultaran repelidos por los polos del
imán fijo, pues en esta nueva situación estarán enfrentados polos de igual signo, con lo cual el rotor se ve
obligado a seguir girando. Nuevamente, cuando los polos del electroimán estén alineados con los polos
opuestos del imán fijo, el contacto entre escobillas y conmutador modificará el sentido de la corriente, con lo
cual el rotor será forzado será forzado a seguir girando.
5
REPRESENTACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO
Las líneas de inducción magnética nos permiten visualizar un campo magnético. Al igual que las líneas de
campo eléctrico, estas líneas se trazan de modo que cumplen las condiciones siguientes:
JG
-
En cada punto del espacio el vector inducción magnética, B , es tangente a las líneas de inducción y tiene
el mismo sentido de estas.
-
La densidad de las líneas de inducción magnética en una región es proporcional al modo de B en dicha
región. Esto es, el campo magnético es más intenso en las regiones donde las líneas de inducción están
mas juntas.
JG
Sin embargo, las líneas de inducción magnética presentan diferencias respecto a las líneas de campo eléctrico:
-
Las líneas de inducción no tienen principio ni fin, pues son líneas cerradas. Así, en un imán, las líneas de
inducción salen del polo norte del imán, recorren el espacio exterior, entran por el polo sur y continúan por
el interior del imán hasta su polo norte.
6
EJERCICIOS
1. En nuestra vida cotidiana es frecuente encontrar imanes en
A)
B)
C)
D)
E)
todas las alternativas siguientes.
teléfonos.
televisores.
discos duros (HD).
refrigeradores.
2. Se tienen algunos imanes y en algunos de ellos se señalaron cuatro polos con las letras X,Y,W y Z.
Al acerca algunos de ellos a los otros, de dos en dos, se notó que : X atrae a Z y repele a Y mientras que
Z repele a W. Si conocemos que Y es un polo Sur , entonces es verdadera
A)
B)
C)
D)
E)
X repele a W
Z repele a W
W es un polo Sur
Y repele a Z
X e Y son polos diferentes
3. Una brújula nos podría servir para conocer
I. la dirección en que se encuentra el Polo Sur geográfico de la Tierra.
II. si por un conductor circula una corriente contínua.
III. si dentro de un paquete hay objetos de Hierro.
es (son) verdadera(s)
A)
B)
C)
D)
E)
Sólo I
Sólo I y II
Sólo I y III
Sólo II y III
I , II y III
4. La razón por la cual un campo magnético puede ejercer una fuerza sobre un conductor donde circula una
corriente eléctrica continua, se debe a que
A)
B)
C)
D)
E)
todos los conductores son magnéticos
el conductor es de cobre
el conductor es metálico
las cargas en movimiento generan un campo magnético
ninguna de las anteriores.
5. El origen de las propiedades magnéticas de los imanes naturales se debería a:
A)
B)
C)
D)
E)
porque los electrones forman una nube alrededor del núcleo del átomo.
por la rotación de los electrones en torno al núcleo.
por la interacción entre los electrones y el núcleo.
por la rotación de los electrones en torno a si mismos.
por la acción combinada de los hechos señalados en B y D.
7
6. La mayor parte de los imanes pierden sus propiedades magnéticas cuando
A)
B)
C)
D)
E)
aumentamos la presión.
aumentamos su temperatura.
se mueven muy rápido.
están en reposo por mucho tiempo.
se colocan en el vacío.
7. Respecto de el hecho que la tierra en un “gran” imán, se formulan las siguientes afirmaciones:
I. Una razón de este fenómeno es la rotación de la Luna alrededor de la Tierra.
II. Una explicación de ello es la presencia de Hierro y Niquel líquido en el centro de la Tierra
III. Ese hecho se explica por la radiación solar
De ellas, es (son) verdaderas:
A)
B)
C)
D)
E)
Sólo II
Sólo I y II
Sólo II y III
I , II y III
Ninguna de ellas
8.- La inducción magnética consiste en la generación de una corriente en una espira debido a la interacción
entre
A)
B)
C)
D)
E)
dos imanes en reposo, cerca de la espira, también en reposo
dos corrientes, circulando por espiras cercanas, en reposo
un imán en movimiento hacia una espira en reposo
un imán y una espira, que se mueven con velocidad constante entre ellos
el imán y la espira, ambos en reposo
9. Si un electrón se desvía al pasar por cierta región del espacio, esto se debe a que:
I. En esa región puede existir un campo gravitacional.
II. En esa región existe un campo eléctrico.
III. En esa región hay un campo magnético.
De esas afirmaciones, es (son) verdadera(s):
A)
B)
C)
D)
E)
Sólo I
Sólo II
Sólo III
Sólo II y III
Sólo I y III
DMSE-FC15
Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra web
http://clases.e-pedrodevaldivia.cl/
8
Descargar