FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS, SOCIALES Y HUMANAS

FÍSICA ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO MÓDULO MAGNETISMO

INVESTIGACIÓN PREVIA. (PREINFORME) ¿Cómo funciona una brújula? Ver y estudiar los siguientes videos sobre la relación entre magnetismo y electricidad: http://www.youtube.com/watch?v=KMf6jjMepcs Investigar sobre materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos http://www.youtube.com/watch?v=Qn7yGvbzVkM http://www.youtube.com/watch?v=2cSSdP8JhFw INTRODUCCIÓN Muchos historiadores de la ciencia creen que la brújula se utilizó en china por primera vez en el siglo XIII A.C., y que su invención es de origen árabe o hindú. Los antiguos griegos tenían conocimiento del magnetismo desde el año 800 A.C. y además, descubrieron que la magnetita (imán natural) atraía pedazos de hierro. En 1269 un francés llamado Pierre de Maricourt trazó las direcciones que seguía una aguja colocada en diversos puntos sobre la superficie de un imán natural esférico. Encontró que las direcciones formaban líneas que encerraban en un círculo a la esfera y que pasaban por dos puntos diametralmente opuestos el uno del otro, a los cuales llamó polos del imán. Experimentos subsecuentes mostraron que todo imán, sin importar su forma, tiene dos polos, llamados polos norte y sur, los cuales ejercen fuerzas sobre otros polos magnéticos de manera análoga a las fuerzas que ejercen entre sí las cargas eléctricas, es decir, polos iguales se repelen entre sí y polos diferentes se atraen uno al otro. Los polos recibieron sus nombres debido al comportamiento de un imán en la presencia del campo magnético de la tierra. Si un imán de barra se suspende de su punto medio y puede balancearse libremente en un plano horizontal, girara hasta que su polo norte apunte al polo Norte geográfico de la Tierra (polo sur magnético de ella). En 1600 William Gilbert, amplió los experimentos de Maricourt a una gran diversidad de materiales. A partir de que la aguja de una brújula se orienta en direcciones preferidas, sugirió que la propia Tierra es un gran imán permanente, figura 1. En 1750 algunos investigadores emplearon una balanza de torsión para demostrar que los polos magnéticos ejercen fuerzas atractivas o repulsivas entre sí y que estas fuerzas varían con el cuadrado inverso de la distancia entre los polos que interactúan. Aunque la fuerza entre dos polos magnéticos es similar a la fuerza entre dos cargas eléctricas, existe una importante diferencia. Las cargas eléctricas pueden aislarse, en tanto que un polo magnético individual nunca se ha aislado, es decir, los polos magnéticos siempre se encuentran en pares. No importa cuántas veces se corte en dos un imán permanente, cada pedazo siempre tendrá un polo norte y uno sur.

Figura 1. La representación de las líneas de campo magnético de la tierra (a), es similar a la de una barra imantada (b). La relación entre magnetismo y electricidad fue descubierta en 1819 durante una conferencia demostrativa, cuando el científico danés Hans Christian Oersted, encontró que una corriente eléctrica en un alambre desviaba la aguja de una brújula cercana, figura 2. Poco tiempo después, André Ampére, formulo leyes cuantitativas para calcular la fuerza magnética ejercida sobre un conductor que transporta una corriente, por otro conductor por el cual circula otra corriente; además sugirió que, a nivel atómico, las espiras de corriente eléctrica son responsables de todos los fenómenos magnéticos.

Figura 2. (a) Todas las agujas de la brújula apuntan en la misma dirección, cuando no pasa corriente por el alambre. (b) Las agujas se desvían en una dirección tangencial a la circunferencia, que es la dirección del campo magnético debido a la corriente que pasa por el alambre. (c) Líneas circunferenciales de campo magnético (mostradas con limaduras de hierro) alrededor del alambre por el que pasa corriente. Durante el proceso experimental que se llevará a cabo, se pretende corroborar mucho de lo antes mencionado y adentrarnos en el maravilloso mundo del magnetismo. PALABRAS CLAVES: Campo Magnético; Imán; Polos Magnéticos; Corriente; Tesla; Brújula; Bobinas de Helmholtz. ELEMENTOS DE COMPETENCIA Modela y construye experiencias físicas que permiten aclarar y visualizar conceptos físicos fundamentales relacionados con la Magnetostática. OBJETIVOS

1. Identificar los tipos de fuerzas magnéticas que se presentan y sus diferencias con las interacciones. 2. Verificar la relación entre magnetismo y electricidad descubierta por Öersted, asociando las corrientes eléctricas como fuente real de campos magnéticos. EQUIPOS E INSTRUMENTAL Fuente de corriente continua

Limadura de hierro

Bobinas de Helmholtz

Trozos de distinto material

Brújula PRECAUCIONES

   

Las dispuestas en la inducción del uso del equipo e instrumental del Laboratorio. Antes de encender la fuente de corriente, cuando la conecte a las bobinas, decirle al docente que revise conexiones. No aplique más de 3 amperio de corriente por cada bobina. Poner una hoja de papel entre las limaduras de hierro y el imán permanente, SIEMPRE que vaya a recoger la limadura, para evitar que se pegue al imán.

PROCEDIMIENTO

ACTIVIDAD 1 Conecte ambas terminales de un cable a la fuente de corriente, y coloque encima la brújula, de manera que la aguja sea paralela al cable, incremente la corriente, observe y describa la situación. Invierta la dirección de la corriente que fluye por el cable, observe y describa la situación. ¿Porqué se desvía la aguja?, ¿Porqué la dirección de desviación depende de la manera como se conecte el cable? Repita el mismo procedimiento incluyendo las preguntas, pero ahora procurando que la aguja esté perpendicular al cable. ACTIVIDAD 2 Conecte una bobina a la fuente circula por ella sin pasar de 3 diferentes puntos alejándose de alrededor de la bobina? Rocíe situación.

de corriente, e incremente gradualmente la corriente que amperio, Ubique la brújula alrededor de la bobina, y en ella. ¿De que manera se distribuye el campo magnético suavemente limaduras alrededor. Observe y describa la

Conecte ahora las dos bobinas en serie las bobinas de Helmholtz, e incremente gradualmente la corriente que circula por ella sin pasar de 3 amperio, ubique la brújula en distintas zonas de la tabla y anote lo observado. ¿Que diferencia encuentra en la manera que se distribuye la limadura, con respecto a una sola bobina? Invierta la polaridad en una de las bobinas, y repita el procedimiento inmediatamente anterior.

¿Qué observa a medida que va agregando limadura de hierro a la tabla? Realice un bosquejo de lo observado. ¿Era lo que esperaba?, ¿por qué? ¿Oersted tenía razón? ¿Es uniforme el campo magnético en la zona media entre las bobinas? Desplace la brújula a lo largo del eje de las bobinas, ¿qué observa? Desplace la brújula perpendicular al eje de las bobinas, ¿qué observa? Introduzca la arandela de latón (dorada), ¿que sucede con la distribución de líneas de campo? Introduzca ahora la arandela de acero, ¿que sucede con la distribución de líneas de campo? Levante la arandela de acero lentamente hasta que salga de las bobinas, explique lo observado. Establezca una analogía entre los materiales conductores de la electricidad y los materiales ferromagnéticos. ¿Podría hablarse de materiales conductores de las líneas de flujo magnético? Explique. FUERZA DE LORENTZ Y LEY DE AMPERE ¿Qué es y para que sirve el cinturón de Van Allen? https://www.youtube.com/watch?v=Mfib1fT_Pq4 Ver y estudiar el siguiente video sobre la relación entre magnetismo y electricidad (LEY DE AMPERE): https://www.youtube.com/watch?v=UJ6SBaNNvJw https://www.youtube.com/watch?v=4nTrjqoD-ho ACTIVIDAD 3 Energice una bobina y haga mediciones de densidad de campo magnético en el centro de la misma en función de la corriente, sin sobre pasar 3 Amperios. Dado que el campo magnético es del tipo vectorial, obedece al principio de superposición, por lo que el campo generado por una bobina lo podemos entender como la sumatoria de los campos generados por cada una de sus vueltas (espiras). Grafique los datos obtenidos e interprete la relación con la corriente, y a partir de su análisis infiera cuantas vueltas tiene la bobina. AYUDA: Campo debido a una espira de radio a:

ACTIVIDAD 4 Con la supervisión del docente encienda el tubo de Thompson de la siguiente manera: 1. Encienda la fuente y el amperimetro 2. Incremente gradualmente la perilla de 8V, no lo haga súbitamente, aumente 1 voltio cada 30 segundos hasta llegar a 6 voltios (ésta controla el filamento que por efecto termoiónico provee electrones libres) 3. Incremente la perilla de 500 V hasta que el haz sea visible sin que en el amperimetro se sobrepasen los 30 mA(esta controla el potencial de aceleración de los electrones) 4. En caso de que el haz sea difuso mueva la perilla de 50 voltios (ésta colima el haz) Ahora ya está listo para trabajar, incremente la perilla de 12 voltios (ésta alimenta las bobinas), observe que sucede cuando aumenta y disminuye el voltaje, describa la situación. ¿Cuál será la dirección del campo magnético? Lleve a cero la perilla de 12 Voltios, invierta la polaridad en esta conexión, ¿Qué sucede ahora cuando aumentamos y disminuimos el voltaje? ¿Que dirección tiene el campo magnético? Para apagar el montaje realice el mismo procedimiento para encenderla pero ahora girando a la izquierda las perillas en el orden 4, 3, 2, 1. Con ayuda del docente observe el montaje donde solo hay una bobina ¿Porqué ahora el movimiento no es en un plano? ¡Explique! LEY DE FARADAY E INDUCCIÓN MAGNÉTICA CONSULTA PREVIA. Consulte todos y cada uno de los videos así como el soporte teórico, pues sobre estos reposa toda la actividad experimental. Fuerza sobre una corriente http://www.youtube.com/watch?v=8swz7DFRlsk http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/varilla1/varilla1.htm Torque sobre una espira http://www.youtube.com/watch?v=D08n0s6k10s http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/generador/generador.htm

Ley de Faraday http://www.youtube.com/watch?v=8QG8sqDwM1c&feature=related Espira que se mueve en un campo magnético http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/espira/espira.htm Generador eléctrico http://www.youtube.com/watch?v=rjH0bSf5uMU&feature=related http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/generador/generador.htm

Ley de Lenz http://www.youtube.com/watch?v=ddq2dhmCkHg http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/foucault1/foucault1.htm INTRODUCCIÓN A medida que se investiga en magnetismo se descubre que éste no puede desligarse de la electricidad. Alrededor de 1820, Michael Faraday y Joseph Henry demostraron de forma independiente que se podía generar una corriente eléctrica en un circuito moviendo un imán cerca de éste o cambiando la corriente de un circuito cercano. Sus observaciones demostraron que un campo magnético variable produce un campo eléctrico. Años después, la obra teórica de James Clerk Maxwell demostró que un campo eléctrico variable genera un campo magnético. La conexión cuantitativa entre campo magnético variable y campo eléctrico, debe expresarse en términos del flujo de campo magnético ΦB a través de una superficie. El flujo de campo magnético a través de una superficie cerrada es:

Φ B= ∫ ⃗ B.d ⃗ A = ∫ BdAcosθ Generalmente se dice que este flujo atraviesa una espira. Si el campo magnético en las proximidades de la espira varía con el tiempo, el flujo también lo hará. Dicho flujo es proporcional al número de B , que atraviesan la superficie o área. líneas de campo magnético, ⃗ La famosa ley de Faraday – Henry se apoya en el concepto de flujo: “El voltaje inducido o fem inducida en un circuito, es igual a menos la variación con respecto al tiempo del flujo magnético que atraviesa el circuito”. En términos matemáticos sería:

−d Φ B dt ⃗ Por otra parte, para obtener la fuerza magnética total, F , sobre una longitud de alambre que ∆ v=fem=

transporta una corriente I (ver figura 2), entre dos puntos arbitrarios a y b, se debe integrar para toda la longitud del alambre comprendida entre esos dos puntos: b

⃗ F =∫ Id ⃗s x ⃗ B a

Figura 2. Segmento de alambre con forma arbitraria que transporta una corriente I, dentro de un campo magnético B.

PALABRAS CLAVES: Fuerza magnética, Ley de Faraday – Henry, Campo magnético. ELEMENTOS DE COMPETENCIA 3. Identifica experimentalmente voltajes inducidos. 4. Define condiciones experimentales que permiten comprobar la ley de Faraday – Henry y la fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta corriente en una zona de campo magnético. OBJETIVOS



Analizar experimentalmente la fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta corriente en una zona de campo magnético.



Analizar experimentalmente la ley de Faraday – Henry.



Evidenciar algunas aplicaciones de la ley de Faraday – Henry.

EQUIPOS E INSTRUMENTAL Equipo de inducción Multímetro Fuente de corriente

Marco giratorio con bobina plana Imanes de neodimio Tubo paramagnetico Riel de aluminio

PRECAUCIONES Las dispuestas en la inducción al uso de equipos de Laboratorio. APAGUE SIEMPRE la fuente de corriente después de utilizarla. Si encuentra cables desconectados o si tiene alguna duda sobre los montajes, pregúntele al docente antes de mover o tocar algo. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Con ayuda del docente realice los siguientes montajes y resuelva las preguntas a manera de discusión grupal. Fuerza sobre una corriente ¿La fuerza que experimenta el conductor es constante? Si la corriente que fluye por el conductor fuera alterna, ¿Que esperaría que suceda? Torque sobre una espira y motor eléctrico Si las espiras no fueran redondas sino cuadradas ¿Que esperaría que suceda?

Fem inducida con bobina que se mueve sobre un campo magnético uniforme ¿Qué observa cuando se hace mide el voltaje inducido en la escala dc? ¿Qué observa cuando se hace mide el voltaje inducido en la escala ac? ¿Cómo explica el cambio de signo en el voltaje leído en el multímetro? ¿Qué observa en la pantalla del Multímetro cuando no hay imanes debajo de la bobina, por qué? ¿Qué observa en la pantalla del Multímetro cuando los imanes debajo de la bobina, se mueven con ella? ¿Por qué cuando la bobina está aproximadamente en la zona media de la placa magnética el multímetro registra 0v? Inducción debido a un campo variable en el tiempo (principio de un transformador eléctrico) ¿Que observa en la bobina secundaria al introducir un material paramagnético entre las bobinas (núcleo de acero inoxidable 304, bloque de aluminio)? ¿Que observa en la bobina secundaria al introducir un material ferromagnético entre las bobinas (núcleo de acero 1020)? ¿Que observa en la bobina secundaria al aumentar la señal en la bobina primaria? ¿Que observa en la bobina secundaria al aumentar la frecuencia en la bobina primaria?

Ley de Lenz en un tubo y en un riel ¿Porque el imán no cae en caída libre? ¿Cae el imán con velocidad constante? ¿Si se utiliza un material que no sea un imán, sucede lo mismo?

REFERENCIAS Hewitt P. Fundamentos de Física Conceptual. Editorial Pearson-Addison Wesley (2009). Sears F., Zemansky M., Young H. y Freedman R. Física Universitaria con Física Moderna.Volumen I. Editorial Pearson-Addison Wesley (2005). Última edición: 18 de Noviembre de 2016