ALUMNO: AUTOR: Prof. Lic. CLAUDIO NASO

Transcripción

1 ALUMNO: AUTOR: Prof. Lic. CLAUDIO NASO

2 Conceptos básicos Imanes Naturales: Seguramente, desde que se conoce el hierro, se conocen los fenómenos magnéticos, que justamente deben su nombre a una piedra que se encuentra en todas las minas de hierro a la que se le de el nombre de magnetita. La magnetita, que debe su nombre de la ciudad griega de Magnesia, es un óxido de hierro Fe3O4 que abunda en la naturaleza y que tiene la propiedad de atraer a otros cuerpos de hierro, acero o níquel. Si se toma, por ejemplo, una aguja de acero y se la frota cíclicamente, es decir, siempre en el mismo sentido, con un trozo de magnetita, la aguja se magnetiza, es decir, se convierte en un imán natural Polos de un imán Podemos montar esta aguja sobre un eje que le permita girar libremente como muestra la figura y de este modo podremos comenzar a estudiar sus propiedades. En estas condiciones podemos observar que aunque movamos la base en cualquier dirección, la aguja siempre se ubica con uno de sus extremos apuntando al norte geográfico. Por esta razón, a dicho extremo se lo denominó polo norte del imán, y al extremo opuesto, polo sur del imán. Prof. Lic. Claudio Naso 106

3 Interacciones magnéticas: Si acercamos dos imanes, puede observarse que los polos norte se repelen entre sí, al igual que los polos sur, Mientras que los polos norte y sur se atraen entre sí Primer principio del magnetismo: Polos de igual nombre se repelen y polos de distinto nombre se atraen Segundo principio del magnetismo: Es imposible aislar un polo de un imán, es decir, un imán siempre tiene dos polos. Eso se verifica experimentalmente partiendo un imán en dos pedazos, cada uno tiene un polo norte y un polo sur. Si esto se repite una y otra vez, cada pequeña parte tendrá un polo norte y un polo sur Inducción magnética: Si acercamos un imán a la cabeza de un clavo sin llegar a tocarlo, y acercamos con la punta a otro clavo, veremos que los clavos se pegan, lo que indica que el primer clavo se comporta como in imán. Este fenómeno se denomina inducción magnética. El primer imán se denomina inductor, y el clavo se denomina imán inducido. Prof. Lic. Claudio Naso 107

4 Los imanes y la temperatura: Experimentalmente se puede verificar que al calentar un imán hasta una temperatura suficientemente alta, sus propiedades magnéticas desaparecen Los imanes y las sustancias: Es importante que tengamos claro que las únicas sustancias que experimentan fuerzas magnéticas son el hierro (Fe) y sus aleaciones como el acero, el níquel (Ni), el cobalto (Cb), el Gadolinio (Gd) y algunas pocas sustancias compuestas. A todas ellas se las denomina sustancias ferromagnéticas Saturación magnética: Como dijimos, al frotar en forma cíclica un cuerpo de hierro o acero, se magnetiza, Esta magnetización aumenta a medida que se repite la operación hasta llegar a un máximo a mártir del cual las propiedades magnéticas ya no aumentan aunque se continúe frotando. Entonces se ha alcanzado la saturación magnética Hipótesis de Weber: En el año 1843 el profesor de Física alemán Wilhelm Eduard Weber propone una explicación para todos estos fenómenos, que se conoce con el nombre de hipótesis de weber: Cada molécula se comporta como un pequeño imán (dipolo magnético). En la mayoría de las sustancias, estos dipolos se encuentran desordenados de modo que sus efectos se anulan entre sí En los materiales ferromagnéticos, estos dipolos pueden ordenarse de manera que se orienten en el mismo sentido. Es así que sus efectos se suman y estos cuerpos se convierten en un imán. Los dipolos magnéticos se encuentran agrupados en regiones llamadas dominios magnéticos. Sustancia sin magnetizar Sustancia parcialmente magnetizada Saturación magnética Prof. Lic. Claudio Naso 108

5 5.2-El Campo Magnético Líneas de fuerza magnéticas: Si colocamos un cartón sobre un imán y espolvoreamos sobre él limadura de hierro, observaremos que estas se disponen como muestra la imagen: Claramente podemos ver que se forman líneas de fuerza magnética que van desde el polo norte al polo sur del imán. Estas líneas nos muestran la forma del campo magnético que rodea al imán Campo Magnético: Como decíamos en el punto anterior, las líneas de fuerza representan la forma del campo magnético que rodea a un imán, pero Qué es el campo magnético? Así como dijimos que en una región del espacio donde se manifiestan fuerzas de carácter eléctrico, hay un campo eléctrico, si en una región del espacio se manifiestan fuerzas de origen magnético, hay un campo magnético. El campo magnético se dirige desde el polo norte hacia el polo sur por fuera del imán y se cierran de sur a norte por dentro del imán. Prof. Lic. Claudio Naso 109

6 terrestre: Por todo lo visto hasta ahora, no caben dudas que la tierra se comporta como un gran imán, por esta razón, la aguja magnética se orienta en dirección a los polos. Sin embargo debemos comprender que por la definición dada para los polos del imán, en el norte geográfico de la tierra se debe ubicar al polo sur magnético (por esta razón atrae al polo norte de la aguja), y en el sur geográfico se ubicará el polo sur magnético de la tierra. En la siguiente figura se puede ver la forma del campo magnético producido por la tierra, similar al de un imán con forma de barra. Dicho campo magnético orienta a la aguja magnética y por tal razón puede utilizarse para la orientación en la navegación. El instrumento construido con una aguja magnética sobre un cuadrante que contiene los puntos cardinales se denomina brújula o compás. El campo magnético de la tierra nos protege de las partículas de alta energía que nos bombardean desde el espacio haciendo que se desvíen y no lleguen a la superficie de la tierra. La vida es posible, entre otras cosas, gracias a esto Campo magnético producido por una corriente eléctrica: En el año 1820, el profesor de física Hans Oersted estaba dando una clase sobre los efectos que producía una corriente eléctrica en la universidad de Copenhague. Explicaba a sus alumnos que el único efecto que producía la corriente eléctrica era transformar la energía eléctrica en calor. Casualmente había una brújula sobre la mesa y el profesor notó que al cerrar el interruptor, la aguja de la brújula dejaba de apuntar al norte y se ubicaba perpendicularmente al alambre conductor por donde circulaba la corriente eléctrica. Prof. Lic. Claudio Naso 110

7 Cuando el físico francés André Marie Ampere se entera del descubrimiento, desarrolla una investigación que le permite descubrir una ley fundamental de la naturaleza donde propone formalmente que las corrientes eléctricas generan un campo magnético en el entorno del conductor por donde circulan. La forma de este campo magnético puede observarse colocando un cartón atravesado por un alambre por el que circula corriente y espolvoreando limadura del hierro sobre él. El campo forma líneas concéntricas con el conductor, rotando alrededor de él Definición del vector campo magnético: Coloquemos dos imanes enfrentados por sus polos opuestos de modo que formen un campo magnético entre ellos y hagamos que un alambre conductor recto atraviese dicho campo como muestra la figura: Prof. Lic. Claudio Naso 111

8 Si hacemos circular una corriente eléctrica por el alambre se observa que una fuerza empuja al alambre hacia adelante haciendo que el conductor se desplace tratando de salir del campo. Si se invierte el sentido de circulación de la corriente, se observa que la fuerza se dirige en sentido contrario. Lo mismo sucede si se permutan los imanes. Experimentalmente se observa que la fuerza que actúa sobre el conductor es directamente proporcional a la intensidad de corriente que por él circula y a la longitud de conductor sumergido en el campo. Este hecho nos permite definir una magnitud que denominaremos campo magnético B como una magnitud cuyo módulo es el cociente entre el módulo de la fuerza F que recibe un segmento de conductor sumergido perpendicularmente en dicho campo, la intensidad I de corriente que por él circula y la longitud l de conductor sumergido en él. B F I l Prof. Lic. Claudio Naso 112

9 La dirección de B es perpendicular a l y a F y su sentido se determina con la regla de la mano derecha: Se coloca la mano derecha abierta de manera que el dedo índice apunte en el sentido de circulación de la corriente de electrones, con el pulgar extendido en el sentido de la fuerza. En estas condiciones el vector campo magnético nos pincha la mano Unidades: El campo magnético se mide en una unidad denominada Tesla (T) N T A m Un campo Magnético mide 1 Tesla cuando por un conductor de 1 m de longitud sumergido en él, por el que circula una intensidad de corriente de 1 Ampere recibe una fuerza de 1 Newton Ejemplo: Un conductor de 80 cm se encuentra sumergido perpendicularmente en un campo magnético de 0,4 T como indica la figura, si por él circula una intensidad de 25 A, calcular el módulo de la fuerza que actúa sobre el conductor indicando su dirección y sentido. Solución: Datos: B=0,4T l = 80 cm = 0,8 m I = 25 A Aplicamos la definición y despejamos F F B I l N F B I l 0, 4T 25A 0, 8m 0, 4 25 A 0, 8m 8N A m El módulo de la fuerza es 8 N y aplicando la regla de la mano derecha podemos determinar que la fuerza sale del papel. Prof. Lic. Claudio Naso 113

10 Fuentes de campo magnético: Como vimos un conductor rectilíneo genera a su alrededor un campo magnético. El Valor de dicho campo en un punto del espacio es directamente proporcional a la intensidad de corriente que circula por el conductor e inversamente proporcional a la distancia que separa, al punto del conductor: B I 2 d Donde I es la intensidad de corriente que circula por el conductor, d es la distancia desde el punto donde se calcula el campo hasta el conductor y es la constante de proporcionalidad que depende de la sustancia que rodea al conductor. Se denomina permeabilidad magnética de la sustancia. Si se trata de vacío se denomina permeabilidad magnética del vacío y su valor es: 0= N/A 2 Diferentes sustancias tienen diferente permeabilidad magnética, esto depende de que favorezca o no la formación de un campo magnético en su interior. Hay sustancias que, respecto del vacío, lo hacen disminuir un poco, otros que lo hacen aumentar levemente y algunas que lo hacen aumentar mucho Materiales diamagnéticos: Su permeabilidad es levemente menor a la del vacío < 0. En estos materiales, los dipolos que forman sus moléculas tienden a orientarse en el sentido contrario al del campo magnético externo y por ello, éste disminuye en su interior, por ejemplo: el bismuto metálico, el hidrógeno, el helio y los demás gases nobles, el cloruro de sodio, el cobre, el oro, el silicio, el germanio, el grafito, el bronce y el azufre Materiales paramagnéticos: Su permeabilidad es levemente mayor a la del vacío > 0. En estos materiales, algunos pocos dipolos que forman sus moléculas tienden a orientarse en el mismo sentido al del Prof. Lic. Claudio Naso 114

11 campo magnético externo y por ello, éste aumenta un poco en su interior, por ejemplo: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio Materiales ferromagnéticos: Su permeabilidad es enormemente mayor a la del vacío >>> 0. En estos materiales, todos los dipolos que forman sus moléculas tienden a orientarse en el mismo sentido al del campo magnético externo y por ello, éste aumenta notablemente en su interior, ya los conocemos, ellos son: el hierro, el níquel, el cobalto, el acero, el gadolinio, etc El Electroimán (Solenoide): Si se enrolla un alambre de cobre aislado en un núcleo de material ferromagnético, por ejemplo un clavo de acero (a este dispositivo se lo denomina bobina) y se conectan las puntas del conductor a una fem, se observa que el núcleo de hiero se convierte en un potente imán. Esta magnetización perdura mientras se mantenga la corriente circulando y desaparece cuando deja de circular. Esto es un electroimán y tiene infinidad de aplicaciones prácticas, con electroimanes funcionan timbres, motores eléctricos, generadores de energía eléctrica, etc. El valor del campo magnético producido por un electroimán es directamente proporcional a la intensidad de corriente que por él circula y al número de vueltas N de alambre e inversamente proporcional a la longitud d. Puede calcularse con la siguiente ecuación: B I N d Prof. Lic. Claudio Naso 115

12 El Timbre: Cuando se cierra el interruptor A, comienza a circular corriente por la bobina. Obsérvese que el circuito se cierra a través del fleje de acero que se encuentra en contacto con el tope C que se encuentra conectado a un extremo de la bobina D. El electroimán atrae al fleje de acero haciendo que el martillo E golpee en la campanilla F. Al pegarse al electroimán, el fleje B se separa del tope C y por lo tanto el circuito se abre, de modo que la corriente deja de circular y el electroimán se desactiva permitiendo que la fuerza elástica restituya al fleje a su posición original. En esta situación vuelve a cerrarse el circuito y nuevamente se activa el electroimán. Esto hace que el sistema suba y baje una y otra vez y el timbre suene Motor eléctrico: Un motor eléctrico elemental esta compuesto por una bobina llamada rotor, que se encuentra solidaria con un eje que le permite girar libremente. El rotor se encuentra ubicado entre dos imanes (estator) que generan un campo magnético en el espacio donde el rotor está sumergido. Arranque El motor ha girado ¼ de vuelta y El motor ha girado ½ vuelta y continúa se invierte el sentido de la corriente. Prof. Lic. Claudio Naso 116

13 Si se hace circular en el sentido apropiado, una corriente por el rotor, se forma un polo norte en el extremo que se enfrenta con el norte del estator, y un polo sur que se enfrenta con el sur del estator provocando que se repelan y que, por lo tanto, comience a girar hasta que queden enfrentados norte y sur respectivamente. En esta situación el movimiento cesaría y el rotor quedaría en equilibrio. Pero si justo en este instante se invirtiera el sentido de circulación de la corriente, los polos del rotor se permutarían y nuevamente se repelerían con los del estator, y continuaría girando media vuelta más. Para mantener el rotor girando, habría que invertir el sentido de circulación de la corriente cada media vuelta. Esto se puede lograr automáticamente con un dispositivo llamado conmutador, que consiste en un cilindro dieléctrico que se encuentra solidario con el eje y tiene dos semi anillos conductores pegados en la superficie cilíndrica. Éstos deslizan sobre dos escobillas conductoras que se encuentran conectadas a la fuente de energía. Al girar el rotor, el eje también arrastra al conmutador de modo que al rotar media vuelta el semi anillo que hacía contacto con el positivo de la fuente comienza a hacer contacto con el positivo y el que hacía contacto con el negativo ahora se conecta al positivo. De este modo, el rotor continuará girando permanentemente transformando la energía eléctrica en energía mecánica. Prof. Lic. Claudio Naso 117

14 5.3-Preguntas y problemas Qué es la magnetita? Los imanes atraen objetos constituidos por cualquier material? Expliquen Cómo se llaman los polos de un imán? por qué? Qué cosas pueden suceder cuando se acerca un imán a otro? (principio de interacción) Indiquen algunas diferencias que puedan explicar entre el fenómeno de atracción y repulsión entre dos cuerpos cargados eléctricamente y entre dos imanes Cómo se puede imantar un objeto de hierro? Si se magnetiza una aguja y se la deja girar libremente sobre un eje que pase por su centro qué sucede? En qué consiste el fenómeno de inducción magnética? Qué dice la hipótesis de Weber y que experimentos lo justifican? Qué es un campo magnético? Qué son las líneas de inducción magnética? Si por un conductor recto circula una corriente eléctrica Qué otros efectos aparte de la generación de calor pueden observarse? Qué efecto se observa en un conductor sumergido entre imanes por el que circula una corriente? En qué consiste la regla de la mano derecha? Cómo se define el vector campo magnético? En qué unidades se mide? Calcular la intensidad y sentido de la corriente que circula por un conductor que atraviesa perpendicularmente las líneas de inducción de un campo magnético de 0,8 T si la longitud de conductor sumergido es de 40 cm. y la fuerza que el campo aplica sobre el conductor es de 0,6 N como indica la figura Una bobina cuadrada de 8 cm. de lado y 100 vueltas se encuentra parcialmente sumergida en una campo magnético de 0,4 T y suspendida de un resorte de constante k = 200 N/m como indica la figura. Si su resistencia es de 8 y se la conecta a una fem de 24 V. Calcular cuánto se estira el resorte. Prof. Lic. Claudio Naso 118

15 Cómo se calcula el campo magnético producido por un conductor rectilíneo? Qué efecto produce un núcleo de hierro en el interior de una bobina? Una bobina solenoide mide 30 cm. de largo y tiene 1500 vueltas. Si en su interior hay vacío Qué corriente deberá circular por ella para producir en su interior un campo de 0,2 T? Ver resultados Prof. Lic. Claudio Naso 119

16 5.4- Trabajo práctico 9: Electromagnetismo Objetivos: 1- Construir un electroimán 2- Determinar si en un electroimán también se forman polos magnéticos. 3- Observar qué sucede al invertir la conexión con la pila. 4- Especular sobre algunas aplicaciones de este fenómeno Materiales: Clavo, alambre de cobre esmaltado, un imán, cinta de papel, una batería de 9 volt, Un pedacito de papel de lija Desarrollo: Construcción del electroimán: a- Tomen el clavo y 3 m de alambre de cobre esmaltado. Enrollen el alambre en el clavo cuidando de dejar 20 cm de alambre libre en cada extremo. b- Aseguren el alambre al clavo pegándolo con un trozo de cinta de papel. c- Quemen el esmalte de las dos puntas del alambre con un fósforo y quiten el esmalte quemado raspándolo con el pedacito de papel de lija. Observación del funcionamiento: d- Coloquen la batería de 9 volt sobre la parte central de la meza del laboratorio y sostengan el electroimán por las dos puntitas del cable de manera que quede colgando cerca de la chapa de los tableros que se encuentran en el centro de las mesas. e- Conecten las puntas del alambre a la batería y describan lo que observan: Prof. Lic. Claudio Naso 120

17 Polos del electroimán: f- Peguen el imán en la chapa del tablero de manera que quede a la misma altura que el electroimán. g- Sin conectar el electroimán, peguen la cabeza del clavo en el imán h- Conecten las puntas del alambre a la batería y observan lo que sucede. Luego inviertan la conexión, es decir, la punta que estaba conectada al positivo de la batería, conéctenlo al negativo y viceversa. i- Escriban detalladamente lo que sucede en cada caso. Prof. Lic. Claudio Naso 121

18 j- Cómo pueden explicar lo observado? Electricidad y movimiento Los experimentos realizados nos permiten concluir que la energía eléctrica puede transformarse en energía cinética. Es decir, con electricidad se puede producir movimiento. Discutan en su equipo: k- Qué dispositivos de la vida cotidiana transforman energía eléctrica en movimiento? Prof. Lic. Claudio Naso 122

19 Respuestas: ,875 A ,8 cm ,85 A Prof. Lic. Claudio Naso 123