Departamento de Física José Würschmidt Año Sistema de Enseñanza Aprendizaje por Proyectos Experimentales Simples y por Simulación en Computadora

Transcripción

1 Sistema de Enseñanza Aprendizaje por Proyectos Experimentales Simples y por Simulación en Computadora Proyecto Física III Motor Magneto hidrodinámico: Comprobación practica de la ley de Lorentz Autor: Verónica Soledad Villafañe Carrera: Ing. Electrónica Año 2011

2 Proyecto Motor Magneto hidrodinámico: comprobación practica de la ley de Lorentz Descripción del proyecto Se desea comprobar el efecto que produce un campo magnético sobre cargas puntuales en movimiento. Para ello debemos colocar un recipiente con agua salada y alguna particula visible suspendida en ella, en este caso pimienta, sobre un imán permanente. En dicho recipiente debemos introducir dos trozos de cobre conectados a los polos de una pila o una fuente de corriente continua, esperando lograr que algunas partículas de pimienta comiencen a moverse en torno a uno se los trozos de cobre trazando una trayectoria circunferencial alrededor de el. Objetivo Observar el efecto producido sobre iones en movimiento a causa de un campo magnético que actua sobre ellos. Materiales Recipientes plásticos o de cerámica (8 cm y 10 cm de diámetro aproximadamente) Recipiente metálico (latita de conserva) Imán Permanente (10 cm de diámetro y 3 cm de alto aproximadamente) Fuente de corriente continua, de 12v de tensión. Trozos de alambre de cobre de distinto grosor Material aislante(papel, madera) Sal Pimienta y aserrín Agua Multimetro digital

3 Experimento En primer lugar se procede a realizar el experimento con el recipiente no conductor, en este caso un vasito de plástico. Se coloca el recipiente con agua salada y pimienta en su interior, sobre el imán permanente. Luego se introduce en el agua los alambres de cobre conectados a una fuente de corriente continua.

4 No se produce el efecto deseado, se forman unas pocas burbujas alrededor de uno de los alambres pero no se observa que se muevan las partículas en suspensión en el liquido de la forma esperada. Como se ha fracasado en el primer intento, procedo a realizar la experiencia con el recipiente metálico. En este caso se coloca un material aislante entre el recipiente y el imán, para evitar polarizar el recipiente. Se introduce un alambre en el liquido y el otro alambre lo colocamos de forma tal que haga contacto con el recipiente en forma directa. Otra vez no se logra el efecto deseado, al igual que en el caso anterior se forman unas burbujas alrededor del alambre introducido en el agua salada, pero no se mueven las partículas alrededor del conductor. Ahora probamos nuevamente con el recipiente plástico, pero utilizamos un alambre de cobre más grueso. Nuevamente no se logra el efecto deseado, así que procedemos a repetir la experiencia con un recipiente no conductor más pequeño, en este caso de cerámica.

5 Ahora si se logro el efecto deseado, se pueden ver las burbujas del efecto electroquímico producido por el agua salada y la corriente que circula por ellas, pero además, se puede ver que las partículas de pimienta suspendidas en la solución, se mueven formando trayectorias circunferenciales que se pueden visualizar nítidamente hasta los 6 cm de diámetro aproximadamente alrededor de uno de los alambres. Si probamos con el alambre de cobre grueso y el recipiente metálico, el efecto se hace más evidente. El alambre de cobre mas grueso tiene menor resistencia que un alambre fino, por lo tanto circula una corriente de mayor magnitud.

6 Luego, se comenzó a trabajar con distintas concentraciones de agua y sal para buscar distintos comportamientos en la experiencia. Además esto se hizo acompañado de la medición de la corriente que fluye a través del agua salada con ayuda de un multimetro digital. Cuando de utilizo una solución de 4gr de sal por litro de agua el efecto resultante sobre las cargas en dicha solución se hizo de fácil apreciación ya que se veía limpiamente y las partículas suspendidas en el liquido giraban con gran velocidad. También se midió la corriente en el liquido, la cual era en un principio de 1A aproximadamente y luego fue bajando hasta quedar constantemente en 0,5A. También se probo luego con soluciones de 8gr y 16 gr por litro. En ambos casos en efecto logrado no fue tan bueno como en el caso anterior. En la primero se podía observar el fenómeno pero con un poco menos de claridad y a menor velocidad, la corriente en el liquido era en un principio de 0,5A aproximadamente y quedo constante en 0,15 A. En el segundo caso casi no se podía apreciar el fenómeno, y la corriente medida comenzó en 0,5A y luego fue bajando de a poco sin llegar a un valor fijo. La diferencia de resultados obtenidos a diferentes concentraciones se debe a la cantidad de residuos depositados en las paredes de los alambres de cobre debido al proceso electroquímico que se desarrolla en el sistema. A menos sal en el agua, menos residuos depositados. También podemos comprobar que si cambiamos la polaridad de la fuente la pimienta comienza a moverse en sentido contrario al que lo hacía anteriormente. Luego probamos sacar el imán para ver qué ocurre. Cuando hacemos esto la pimienta no se mueve. Tabla resumen de resultados Concentracion Corriente [I] Visualizacion Tension [V] gr/litro max min 4 1 0,5 muy buena ,5 0,15 se aprecia poco 12 >=16 0,5 n/d no se aprecia 12

7 Porque se mueve la pimienta? Para comprender lo que ocurre tenemos que fijarnos en los dos fenómenos puestos en juego. En primer lugar hay un proceso electroquímico llamado electrolisis. Cuando se esta realizando se pueden ver pequeñas burbujas alrededor de los alambres de cobre. En la electrólisis se pueden distinguir tres fases: Ionización - Es una fase previa antes de la aplicación de la corriente y para efectuarla la sustancia a descomponer ha de estar ionizada, lo que se consigue disolviéndola o fundiéndola, en este caso agua y sal. Orientación - En esta fase, una vez aplicada la corriente los iones se dirigen, según su carga eléctrica, hacia los polos (+) ó (-) correspondientes. Descarga - Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-). Cuando la concentración de sal en el agua es alta, al hacer circular una corriente a través de los alambres de cobre, se forman muchas burbujas alrededor de ellos y quedan residuos o impurezas del cobre en la superficie del liquido, impidiendo que las partículas suspendidas en el mismo se muevan. Entonces tenemos iones moviéndose en el agua salada, que son realmente cargas puntuales en movimiento.

8 El segundo fenómeno que podemos visualizar es un proceso electromagnético, producido por el imán que colocamos debajo del recipiente. Este elemento afecta con su campo magnético a toda particula u objeto que se encuentre en el espacio a su alrededor. Qué relación hay entre el agua salada, la corriente y el imán para producir el fenómeno? Esto se puede explicar a través de la Ley de Lorentz Los iones en movimiento en el agua están inmersos en el campo magnético del imán, por lo tanto tenemos cargas puntuales en movimiento dentro de un campo magnético. Según la ley de Lorentz: Toda carga en movimiento en el seno de un campo magnético experimenta una fuerza de dirección perpendicular al vector velocidad y al vector campo magnético.

9 Es por esto que si sacamos el imán no se produce el movimiento de la pimienta alrededor de los alambres de cobre. Si cambiamos la polaridad de la fuente las partículas comienzan a girar en dirección contraria a la que lo hacían debido a que cambia la dirección de la fuerza resultante cobre las cargas Ahora se muestra en la foto un esquema de hacia dónde apuntarían los vectores campo magnético, velocidad y fuerza resultante para lograr que las partículas de pimienta se muevan alrededor de uno de los alambres. Ademas también se pueden ver la líneas de campo eléctrico entre los electrodos en forma cualitativa. La fuerza eléctrica sobre una carga puntual en reposo viene dada por Sin embargo, si dicha carga se encuentra en movimiento, la experiencia muestra que se ve sometida a una fuerza adicional. Esta fuerza, que llamaremos fuerza magnética, verifica que es: Proporcional a la carga Proporcional al módulo de su velocidad Perpendicular a la velocidad Con estas condiciones, la fuerza magnética debe ser de la forma siendo B un nuevo campo, conocido como campo magnético. La fuerza total sobre una carga puntual es entonces

10 Esta expresión, que es válida en general, tanto para situaciones estáticas como dinámicas, se denomina Fuerza de Lorentz. Con estas ecuaciones, si medimos la velocidad con que se mueven las partículas de pimienta alrededor de los alambres de cobre podríamos estimar la magnitud del campo magnético del iman. Fuentes