5. MAGNETISMO E IMANES. POLOS MAGNÉTICOS

Transcripción

1 5. MAGNETISMO E IMANES. POLOS MAGNÉTICOS 5.1. El magnetismo En la siguiente imagen puedes observar qué sucede cuando se espolvorean finas limaduras de hierro sobre un papel, debajo del cuál se ha colocado un imán. En qué zonas se concentran más limaduras? Cómo se denominan esas zonas? 1

2 Seguramente habrás jugado alguna vez con imanes, viendo cómo atraen ciertos objetos metálicos o cómo uno de sus extremos es capaz de repeler a otro similar o atraer al contrario. A este fenómeno de atracción o repulsión lo denominamos magnetismo. El magnetismo es la propiedad que presentan ciertos materiales, que denominamos imanes, de atraer determinados materiales Imanes. Polos magnéticos. Como puedes apreciar en la imagen, las limaduras se concentran en los extremos del imán. Estas zonas donde el fenómeno magnético parece ser más intenso se denominan polos magnéticos y, cómo muestra la imagen, se presentan siempre en pareja. 2

3 Si acercas a un imán esférico pequeñas agujas de acero, comprobarás que estas se orientan de forma similar a como lo hacen los meridianos terrestres, que se cortan en dos puntos de la esfera diametralmente opuestos. Exactamente en esos puntos, denominados polos, las agujas se orientan en vertical. Por otra parte, si pones a flotar en el agua ese mismo imán, dentro de una barquita, apreciarás que sus polos se orientan en la dirección de los polos (magnéticos) terrestres. Es decir, uno de los polos se orienta hacia el norte, y el otro hacia el sur. De ahí que, se denomine polo norte y polo sur a los polos magnéticos de un imán. Esto sucede porque la Tierra, como veremos, es un gigantesco imán natural. 3

4 5.3. Características del magnetismo. Crees que si cortamos un imán de barra por la mitad lograremos separar sus polos? según acabamos de ver, los polos de un imán se denominan polo norte y polo sur. Se denomina polo norte al punto del imán que se orienta hacia e norte y, y polo sur al que se orienta hacia el sur. Una de las características más sorprendentes del magnetismo es la imposibilidad de separar sus polos. Si cortamos un imán por la mitad se formará en cada una de las mitades otra pareja de polos norte y sur, y así sucesivamente. Nunca conseguiremos separar los polos opuestos. Otra de las características del magnetismo, que guarda similitud con los fenómenos eléctricos, es que la interacción magnética puede ser atractiva o repulsiva, de modo que: * Los polos idénticos se repelen. * Los polos opuestos se atraen. 4

5 5.4. El campo magnético. La zona de influencia de un imán, que se hace visible por la orientación de las limaduras de hierro, se denomina campo magnético. Si dibujamos las líneas que parecen sugerir las limaduras de hierro, habremos trazado las líneas de fuerza del campo magnético. Estas líneas son cerradas (es decir, continúan en el interior del imán) y, por convenio, se consideran salientes del polo norte y entrantes hacia el polo sur. 5

6 5.5. Clasificación de los imanes. Según su origen: Naturales Artificiales Según el tiempo de actuación de las propiedades magnéticas: Temporales Permanentes 5.6. Fuerzas magnéticas. Las fuerzas ejercidas por los dos polos de un imán son iguales en magnitud y, al igual que las fuerzas eléctricas, decrecen con el cuadrado de la distancia. Pese a la semejanza entre fuerzas eléctricas y magnéticas, existe entre ellas una importante diferencia: aunque es posible aislar una carga eléctrica, los polos magnéticos se presentan siempre por parejas. 6

7 6. FUENTES DE MAGNETISMO: IMANES Y CORRIENTES ELÉCTRICAS Por qué suele decirse que nunca debemos orientarnos con una brújula debajo de los cables de alta tensión? Si pones en contacto un imán con un tornillo, este último se convierte, a su vez, en imán y es capaz de atraer a otro tornillo y así, sucesivamente, de forma que podremos unir magnéticamente una ristra de tornillos. La explicación de este fenómeno es similar a la que vimos sobre la electrización por inducción: al acercar un objeto cargado eléctricamente a otro neutro, el primero induce cargas opuestas en la superficie del segundo. En este caso, el imán induce polos opuestos en el tornillo. Este fenómeno se denomina magnetización por inducción. Así, si acercamos el imán por su polo sur, induce un polo norte en la cabeza del tornillo y un polo sur en el extremo opuesto, que, a su vez, vuelve a inducir un polo norte en la cabeza del segundo tornillo y así, sucesivamente. 7

8 Como veremos más adelante, el fenómeno de la magnetización por inducción tiene lugar sólo en un tipo de materiales denominados ferromagnéticos, como el hierro y otros materiales. Cuál es la razón última por la que existen materiales que se comportan como imanes? Ya sabemos que la explicación de los fenómenos eléctricos se encuentra en el interior de los átomos, concretamente en la propiedad de carga eléctrica asociada a electrones y protones. Entonces, a qué se debe realmente el magnetismo? En el siguiente apartado empezaremos a entender algo más acerca del origen del magnetismo El electromagnetismo. Observa la siguientes imagen: 8

9 Si acerco una brújula al tornillo que he rodeado con alambre, esta se orienta según el norte magnético terrestre. Si conecto el alambre a una pila (por ejemplo de 9V), el tornillo introducido en la espira se comporta como un imán y es capaz de atraer la aguja de la brújula. Hemos construido un electroimán. Pero, por qué se convierte el clavo en imán? La razón es una consecuencia del descubrimiento casual del físico Hans Christian Oersted, descubrió que una corriente eléctrica producía un campo magnético capaz de orientar una brújula. Las corrientes eléctricas, al igual que los imanes, producen campos magnéticos. A partir de ese momento ya no se volvió a hablar de electricidad y magnetismo como dos fenómenos distintos, sino de un único fenómeno denominado electromagnetismo. Podemos asegurar que es la corriente eléctrica, y no el tornillo, la que origina el campo magnético? No es necesario que exista ningún tornillo dentro del alambre en espiral o de la bobina, al conectar la bobina a la corriente ocurre lo mismo. 9

10 Ideas claras!!! Los materiales ferromagnéticos se magnetizan por inducción. Las corrientes eléctricas producen campos magnéticos con polos norte y sur. Los imanes y las corrientes eléctricas son fuentes de campos magnéticos. 7. LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Si las corrientes eléctricas originan campo magnéticos, podría suceder que los campos magnéticos originasen corrientes eléctricas? Para producir una corriente eléctrica, se necesita un generador (batería o pila) que produzca una diferencia de potencial necesaria para que las cargas circulen. Sin embargo, Michael Faraday descubrió, en 1831 algo que revolucionó el modo de producir electricidad y que se denominó inducción electromagnética. 10

11 El importante descubrimiento de Faraday puede entenderse analizando la siguiente figura: La figura (a) muestra un imán colocado en el interior de un solenoide (conductor eléctrico en forma de hélice cilíndrica), cuyos extremos están conectados a un amperímetro. Faraday observó que si el imán se mantiene en reposo (en relación con la bobina), el amperímetro no indica paso de corriente eléctrica, es decir, en esas condiciones no ocurre el efecto buscado. Cuando el imán se pone en movimiento, apartándose de la bobina, como en la figura (b), el amperímetro inmediatamente muestra el paso de la corriente en las espiras del solenoide. Sin embargo, si el movimiento del imán se interrumpe, la corriente deja de circular nuevamente. 11

12 Al ponerse en movimiento nuevamente el imán, pero ahora acercándose al solenoide, el amperímetro vuelve a indicar la presencia de una corriente en las espiras, ahora en sentido contrario a la situación anterior (Fig. c). Los mismos efectos se observarían si el imán se mantuviera en reposo y la bobina se acercara o alejara de éste. Por ello, Faraday percibió que realmente es posible obtener una corriente eléctrica con un imán en movimiento. En una bobina, se inducen corrientes eléctricas siempre que cambie el campo magnético que la atraviesa (apareciendo, desapareciendo, aumentando o disminuyendo). Este fenómeno recibe el nombre de inducción electromagnética. El fenómeno de la generación de una corriente eléctrica en un circuito, que derivada de efectos magnéticos, se denomina inducción electromagnética, y la corriente así creada recibe el nombre de corriente inducida. 12

13 7.1. Formas de inducir corriente. La corriente alterna Sabiendo que se induce corriente siempre que varíe el campo magnético que atraviesa una bobina, de qué formas puedes introducir corriente si dispones sólo de imanes y una bobina? Para responder a la pregunta debemos tener presentes las características de las corrientes inducidas (recordad el video): La intensidad de la corriente inducida en una bobina es tanto mayor cuanto más rápidamente cambie el campo magnético que la atraviesa. La intensidad de la corriente inducida circula en un sentido cuando el campo magnético aumenta, y en el contrario cuando el campo magnético disminuye. La intensidad de la corriente inducida es tanto mayor cuantas más espiras (número de arrollamientos) tenga la bobina. 13

14 Así pues, teniendo en cuenta lo anterior, podemos generar corriente inducida usando imanes y una bobina, por ejemplo, de cualquiera de las dos maneras siguientes: 1. Introduciendo y sacando rápidamente el imán en el núcleo de la bobina. De este modo aumentamos y disminuimos el campo magnético que la atraviesa, lo que genera una corriente que circula en un sentido al introducir el imán y en otro sentido al extraerlo. 2. Haciendo girar rápidamente la bobina en un campo magnético entre dos polos, norte y sur. Así, el campo magnético que la atraviesa va aumentando y disminuyendo continuamente, de forma alternada, lo que genera una corriente cuyo sentido cambia según aumente o disminuya el campo magnético. 14

15 Esta última es la forma más habitual de inducir una corriente. Si, mediante un rotor hacemos girar rápidamente una bobina en un campo magnético entre dos polos norte y sur, induciremos una corriente eléctrica. También podemos hacerlo al revés, girando los dos polos alrededor de una bobina fija. Sin embargo, al contrario de lo que sucede con la corriente eléctrica generada por una pila o batería, que siempre circula en el mismo sentido, la corriente inducida al hacer girar una bobina en un campo magnético cambia de sentido de forma alternada, a medida que la bobina gira. Por tanto, decimos que: Las pilas o baterías son generadores de corriente continua (c.c.). Las bobinas que giran en campos magnéticos son generadores de corriente alterna (c.a.). 15

16 Ideas claras!!! El fenómeno de la inducción electromagnética consiste en inducir corrientes eléctricas mediante variaciones de un campo magnético. Al mover o sacar rápidamente un imán en una bobina, o al hacer girar esta en un campo magnético, se produce una corriente de sentido variable que denominamos corriente alterna. 8. EL MAGNETISMO Y LA MATERIA Por qué unos materiales parecen imantarse y otros no? Tu propia experiencia te dicta que un bolígrafo de plástico no es atraído por un imán. Efectivamente, así es. Sin embargo, en realidad todos los materiales resultan afectados, en mayor o menor medida, por la presencia de un campo magnético. 16

17 Entonces, a qué se debe el distinto comportamiento magnético de los materiales? Hemos visto que las corrientes eléctricas crean campos magnéticos. Ahora bien, qué es al fin y al cabo, una corriente eléctrica sino cargas eléctricas en movimiento? Podemos, por tanto, establecer que: Las cargas eléctricas en movimiento son el origen de los campos magnéticos. Recuerdas alguna partícula constituyente de los átomos que tenga carga eléctrica y esté en continuo movimiento? El electrón. Cuando este se mueve alrededor del núcleo, lo puede hacer en un sentido u en otro. De esta manera se genera una pequeñísima corriente eléctrica que origina un minúsculo campo magnético con diferentes orientaciones. igualmente, la propia rotación del electrón alrededor de su eje constituye un microscópico campo magnético, algo mayor que el anterior, cuya orientación norte sur viene determinada por el sentido de rotación. 17

18 Cada átomo tiene un número distinto de electrones que se distribuyen de diferentes maneras dentro del átomo. Esto puede dar lugar básicamente a tres situaciones: Los minúsculos campos magnéticos de los electrones se anulan unos a otros. Sería el caso, por ejemplo, de dos electrones que giran en sentidos opuestos. Los minúsculos campos magnéticos no se anulan del todo y producen un campo magnético total débil. Esto pasa cuando no todos los giros de los electrones en un sentido están compensados por giros opuestos. Los campos magnéticos de los electrones en un sentido superan ampliamente a los campos magnéticos opuestos. En este caso, hay un campo relativamente fuerte en el conjunto del átomo Sustancias diamagnéticas, paramagnéticas y ferromagnéticas Imagina tres sustancias distintas que se encuentran en las tres situaciones anteriores. Cómo se comportaría cada una al acercarle un imán? Podemos definir tres tipos de sustancias diferentes: SUSTANCIAS DIAMAGNÉTICAS Son aquellas en las que los minúsculos campos magnéticos de los electrones se anulan total o casi totalmente entre sí. Son débilmente repelidas por campos magnéticos potentes. Ejemplos: agua, grafito, bismuto, vidrio, cuarzo, mercurio, oro, plata. 18

19 SUSTANCIAS PARAMAGNÉTICAS Los campos magnéticos de los electrones que giran en un sentido son ligeramente superiores a los de los electrones que giran en sentido opuesto. Son muy débilmente atraídas por campos magnéticos potentes. La agitación térmica de los átomos nos impide comprobarlo en la mayoría de los casos. Ejemplos: aluminio, sodio, oxígeno, platino, estaño. SUSTANCIAS FERROMAGNÉTICAS El campo magnético total de los átomos es relativamente fuerte y, por tanto, se orientan atraídos por el campo magnético de un imán. Las sustancias ferromagnéticas son intensamente atraídas por los imanes. Sin embrago, la agitación térmica de los átomos puede desorientar sus minúsculos campos magnéticos. Por eso, al calentar un material ferromagnético deja de estar imantado. Cuando un material ferromagnético fundido se deja solidificar lentamente en presencia de un campo magnético magnético intenso, se convierte en un imán permanente. Ejemplos: hierro, acero, galodinio, aleaciones de neodimio, boro. 19

20 Ideas claras!!! El comportamiento magnético de los materiales viene determinado por los minúsculos campos magnéticos que los electrones crean en los átomos. Según su comportamiento magnético, las sustancias se clasifican en diamagnéticas, paramagnéticas y ferromagnéticas. 20