UNIVERSIDAD PARA LOS. Física Aplicada a Procesos Naturales MAYORES. Sesión 3. El campo magnético

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1 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES Sesión 3 El campo magnético 1

2 Física Aplicada a Procesos Naturales Imanes naturales UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES Desde la antigüedad (Thales de Mileto VI a de C. referencias escritas) se conoce la propiedad de ciertos materiales que,sin necesidad de frotarlos, son capaces de atraerse entre sí mediante una interacción a distancia. El material en el que se observó esta propiedad por primera vez se llama magnetita pues se encontró por primera vez en Magnesia (Asía Menor). Esta propiedad es permanente e intrínseca a dichos materiales. No todos los materiales la poseen (magnetismo natural: imanes). 2

3 Física Aplicada a Procesos Naturales Imanes naturales UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES Sabemos que dos imanes se atraen o repelen con fuerza según su posición relativa Sólo interaccionan con cierta parte de su geometría que llamamos POLOS del IMÁN Se observan dos comportamientos diferentes que definen dos polos. Al dividir un imán reaparecen los dos polos opuestos en sus extremos. Norte Sur analogía geográfica No existen monopolos magnéticos 3

4 Física Aplicada a Procesos Naturales Imanes naturales UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES Aparecen fuerzas entre los imanes: 1. Mismo polo -> repulsiva 2. Distinto polo -> atractiva Un imán modifica las propiedades del medio que le rodea. Campo magnético 4

5 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS Propiedades magnéticas MAYORES Existen materiales que son atraídos por los imanes pero no son imanes. Estos materiales se comportan temporalmente como un imán. Por eso hablamos de materiales ferromagnéticos (muchas veces sólo materiales magnéticos) y materiales no ferromagnéticos. Otros materiales: paramagnéticos y diamagnético 5

6 Física Aplicada a Procesos Naturales La Brújula UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES La primera utilidad de los imanes fue el comercio con la invención de la brújula el primer secreto industrial?. Se comprobó que la tierra se comporta como un imán. 6

7 Física Aplicada a Procesos Naturales Magnetismo terrestre UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES El polo norte de la tierra está colocado muy cerca del polo sur magnético terrestre Se ha comprobado que la localización de los polos magnéticos ha variado en el tiempo. 7

8 Física Aplicada a Procesos Naturales Magnetismo terrestre UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES 8

9 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS La teoría electromagnética MAYORES En 1820 Hans Christian Oersted observa que una brújula es desviada por el paso de corriente en un hilo cercano a ella.lo que supone la equivalencia entre imanes y corrientes Se repelen: Sentido contrario Se atraen: mismo sentido 9

10 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS La teoría electromagnética MAYORES 10

11 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS La teoría electromagnética Se parece al campo magnético global terrestre? MAYORES 11

12 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS La teoría electromagnética MAYORES Hacia 1890 Lorentz descubre la fuerza que aparece sobre una partícula cargada que se mueve en el seno de un campo magnético. Esa fuerza resulta ser perpendicular a la velocidad de la partícula y a la dirección del campo magnético. r r r F = qv ᄡ B 12

13 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS La teoría electromagnética MAYORES La fuerza de Lorentz permite identificar partículas cargadas (espectrógrafo de masas), dirigir partículas cargadas sobre un punto determinado 13

14 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS La teoría electromagnética MAYORES 14

15 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS La teoría electromagnética MAYORES Leyes de Maxwell r ρ E =Ѵ= ε r B =Ѵ 0=+ r E r B r ᄡB ᄊ t r r ᄊ E µ j µε ᄊ t 15

16 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS Magnetosfera y viento solar MAYORES 16

17 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS Llegamos a la Tierra MAYORES 17

18 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES PELIGRO!!! Comunicaciones Salud Medio Ambiente(desencadenante de lluvias ) 18

19 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES 19

20 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES 20

21 21

22 Física Aplicada a Procesos Naturales UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES 22

23 Materiales magnéticos La materia es la fin y al cabo electrones (cargas negativas) que están girando alrededor de cargas positivas. En un campo magnético estas cargas se verán sujetas a fuerzas (tipo Lorentz) 23

24 Tipos de materiales Según su comportamiento los materiales se clasifican como: Diamagnéticos Paramagnéticos Ferromagnéticos: Ferromagnéticos Antiferromagnéticos Ferrimagnéticos 24

25 Materiales Ferromagnéticos I Se caracterizan por tener un comportamiento no lineal ante el campo magnético. Presentan fenómenos de histéresis 25

26 Materiales diamagnéticos El diamagnetismo es común a todas las sustancias aunque puede quedar oculto cuando aparecen otros efectos que producen magnetización Aparece por la distorsión del movimiento de los electrones como consecuencia de un campo magnético externo. Este efecto es equivalente a la aparición de una corriente inducida que trata de contrarrestar el campo externo (Ley de Lenz) El efecto neto es la disminución del campo total en el material. Y la aparición de débiles fuerzas de repulsión con el campo externo Susceptibilidad negativa y la permeabilidad relativa menor que 1 Independencia con la temperatura 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José 26

27 Materiales paramagnéticos 13/02/2011 El paramagnetismo aparece en las sustancias que presentan un momento magnético distinto de cero Un campo externo orienta estos momentos de forma que la imanación se orienta con el campo y aparece un campo magnético en el material que refuerza el campo externo Este efecto es mucho más intenso que el diamagnetismo Aparecen fuerzas de atracción intensas entre el material y el campo externo La susceptibilidad magnética es positiva y la permeabilidad relativa mayor que 1 Presenta una fuerte dependencia con la temperatura Fundamentos Físicos II -Juan José 27

28 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José 28

29 Materiales ferromagnéticos Los materiales ferromagnéticos tienen momentos magnéticos permanentes que interaccionan intensamente con otros momentos próximos en el mismo material. Esto se manifiesta por la aparición de estructuras ordenadas formando dominios separados de otros dominios por claras fronteras o paredes. Las dimensiones de los dominios son de a 10-8 m3 y contienen de 1017 a 1021 átomos Un campo externo orienta estos dominios de manera que refuerza el campo externo. 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José Blanco- 29

30 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José Blanco- 30

31 Propiedades de materiales ferromagnéticos Carácter no lineal: La relación entre imanación y campo magnético aplicado no es lineal. Por tanto las susceptibilidad y la permeabilidad son funciones del campo. Curva de magnetización y permeabilidad relativa del hierro comercial (templado) 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José Blanco- 31

32 Imanación de saturación: A medida que el vector H aumenta, la imanación del material aumenta hasta un valor límite denominado de saturación. Aunque H siga creciendo, la imanación ya no aumenta. Sin embargo la inducción magnética sigue creciendo mientras el campo H siga aumentando. Ms es la imanación de saturación. En este caso se ha representado M frente a B 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José Blanco- 32

33 Ciclo de Histéresis: Cuando e aplica un campo externo, la imanación macroscópica del bloque del material cambia. Finalmente, cuando se aplica un campo lo suficientemente intenso, alcanza la imanación de saturación Ms, que es igual a la imanación espontánea. Si en este punto se reduce el campo aplicado, la imanación macroscópica se reduce, pero en general no regresa por el camino original. Este comportamiento irreversible de la imanación se denomina histéresis. Supongamos que después de alcanzar el estado de saturación, se disminuye el campo aplicado hasta cero. La imanación disminuye pero no alcanza un valor nulo cuando H=0. La muestra queda con una imanación Mr denominada imanación remanente. Si se aumenta el valor del campo magnético en sentido negativo, la imanación sigue disminuyendo hasta que se anula. El valor de campo necesario para anular la imanación es el campo coercitivo intrínseco, Hc. Si se sigue aumentando el campo en sentido negativo, se alcanza el estado de saturación en sentido contrario al inicial. Realizando la variación de H en sentido inverso se obtiene el llamado ciclo de histéresis del material. El área encerrada por el ciclo es la energía disipada por el material en forma de calor en el proceso cíclico de imanación al que se le ha sometido. 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José B =µ H B = µin H 33

34 Ejemplo: magnetización por medio de una corriente 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José Blanco- 34

35 Materiales magnéticos blandos Un material magnético blando es aquel que posee una gran facilidad para imanar y desimanar. Este tipo de material tiene un ciclo de histéresis estrecho, determinado por pequeñas fuerzas coercitivas y una permeabilidad inicial alta. Un material con estas características, alcanza la saturación con un campo aplicado relativamente pequeño y aun así tener pérdidas de energía pequeñas. 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José Blanco- 35

36 Materiales magnéticos duros Este grupo de materiales destacan entre el resto por tener una gran resistencia a la desmagnetización, por lo que son utilizados como imanes permanentes. Sus características son una remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturación altas que hace que tenga un ciclo de histéresis ancho y alto. Estos materiales se imanan mediante la aplicación de un campo magnético que consiga orientar los dominios magnéticos en la misma dirección que el campo. De esta forma, el material adquirirá energía del campo que será convertida en energía potencial. La curva de desimanación viene dada por la representación del ciclo de histéresis en el segundo cuadrante. La energía potencial magnética de un material se mide como el producto de la inducción magnética y el campo desimanador, es decir, el área encerrada por el mayor rectángulo que puede ser inscrito en el segundo cuadrante del ciclo de histéresis del material. 13/02/2011 Fundamentos Físicos II -Juan José Blanco- 36

37 Materiales ferromagnéticos II 37

38 Aplicaciones Los materiales ferromagnéticos tiene gran número de aplicaciones, por ejemplo: Transformadores eléctricos Núcleos de generadores y motores eléctricos Sistemas de suspensión magnética Baterías de inducción Soportes de información 38

39 El transformador Consta de un carrete primario (por el que entra la corriente a transformar y un carrete secundario. Vs N s Se cumple que I p = N s = Vp N p Is N p 39

40 Generadores y motores 40

41 Generadores y motores II 41

42 Generadores y motores III 42

43 Partes de un lector magnético 43

44 Grabación de datos El sentido del campo en cada región imanable hace que esta adquiera una imanación o la contraria 44

45 Lectura de datos Según se orienten las zonas imanables originan o no un campo en sus alrededores que será interpretado como un 1 un como un 0 45

46 Representación de

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