Magnetismo. C u r s o : Física Común. Material FC-15 JEAN PERRIN ( )

Transcripción

1 C u r s o : Física Común Material FC-15 Magnetismo JEAN PERRIN ( ) Nació en Lille. Profesor de la Universidad de París. Ganó el Premio Nobel 1926 de Física por su trabajo sobre la discontinuidad en la estructura de la materia y, en particular, por su descubrimiento del equilibrio de sedimentación.

2 Entre los siglos XI y XII se extendió el uso de la brújula en la navegación. A diferencia del uso de cuadrantes y de la observación del sol y otras estrellas, la brújula permitía una orientación precisa incluso con un mal tiempo. En consecuencia, este instrumento magnético facilito los viajes por mar durante meses nubosos de invierno y ayudo a incrementar el comercio marítimo. EL FUNDAMENTO DE LA BRÚJULA. La brújula es esencialmente una aguja imantada. El hecho de que una brújula indicase siempre la misma dirección fue, durante bastante tiempo, el objeto de muchas supersticiones. Hasta que su uso se hizo sistemático, muchos capitanes de navío solían usar las brújulas en secreto para no despertar en su tripulación temores infundados. En un imán, la capacidad de atraer al hierro es mayor en la cercanía de sus extremos o polos. Los dos polos de un imán reciben el nombre de polo norte y polo sur, debido a que un imán tiende a orientarse según los polos geográficos de la tierra, la que es un gran imán natural. El polo norte del imán (brújula) se orienta hacia el norte geográfico de la tierra y el polo sur del imán, hacia el sur geográfico. En la actualidad, las aplicaciones del magnetismo continúan siendo muy importantes: almacenamos información en los discos magnéticos de los ordenadores y grabamos música en cintas magnéticas, generamos campos magnéticos para acelerar partículas y, a partir de estas, creamos isótopos radiactivos con aplicaciones médicas. También en el campo de la medicina se ha desarrollado la técnica de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) como herramienta para obtener imágenes de zonas del organismo para emitir posibles diagnósticos clínicos. El magnetismo es también fundamental en el funcionamiento de televisores, altavoces, aparatos de medida eléctricos y en muchos artefactos de uso diario. Fuentes y Propiedades de los imanes Un imán es un cuerpo capaz de atraer fuertemente los objetos de hierro. Las propiedades magnéticas de los imanes son conocidas desde la antigüedad. El primer imán natural conocido fue la magnetita (tetraoxido doble de hierro (II) y de hierro (III): Fe 3 O 4 ) un mineral bastante común en la región de magnesia (Asia Menor). Según la tradición, fue descubierto por un pastor al acercar la punta de hierro de su bastón a una piedra de magnetita y comprobar cómo este era atraído. También sabemos, desde el siglo XIX, que las corrientes eléctricas presentan propiedades magnéticas como los imanes. Como veremos, las propiedades magnéticas de los imanes y de las corrientes eléctricas tienen un origen común: el movimiento de cargas eléctricas. Una de las propiedades importantes de los imanes es que si acercamos, dos imanes distintos, observamos que polos de igual tipo se repelen y que polos de diferente tipo se atraen, de igual forma que las cargas eléctricas en reposo Existen varios procedimientos sencillos para fabricar imanes artificiales: imantación por frotamiento, imantación por influencia e imantación por corriente eléctrica. También el hierro, el cobalto, el níquel o las aleaciones de dichos metales pueden convertirse en imanes artificiales. Éstos son los imanes que usamos habitualmente. Otra propiedad mportante de los imanes se refiere a que los imanes siempre presentan dos polo opuestos, de modo que al romper un imán por la mitad, no obtenemos un polo norte y un polo sur aislados, sino que obtenemos dos imanes más pequeños,cada uno de ellos con su pareja de polos norte y sur. 2

3 LA EXPERIENCIA DE OERSTED En 1819 el físico danés Hans Oersted demostró que una corriente eléctrica posee propiedades similares a las de un imán. Cuando Oersted explicaba en una de sus clases qué era la corriente eléctrica que había descubierto Volta, acercó distraídamente una brújula a un conductor por el que circulaba corriente y observó que la aguja imantada sufría una desviación. A partir de esta, aparentemente, insignificante observación, Oersted siguió investigando y obtuvo una serie de resultados que ayudaron a comprender el magnetismo: Cuando colocamos una brújula cerca de un conductor por el que pasa una corriente eléctrica, la brújula se orienta perpendicularmente al conductor y deja de señalar hacia el polo norte. Si aumentamos la intensidad de la corriente eléctrica que circula por el conductor, la brújula gira mas rápidamente, hasta colocarse perpendicular al mismo. Si invertimos el sentido de la corriente eléctrica, es decir, si invertimos las conexiones que unen al conductor con la pila, la brújula sigue orientada perpendicularmente al conductor, pero el sentido en que se orienta es, justamente,el opuesto al caso anterior. La experiencia de Oersted nos indica que las cargas eléctricas en reposo no producen el magnetismo, sino que son las corrientes eléctricas, es decir, las cargas eléctricas en movimiento, las responsables de él. Por lo tanto, si una corriente eléctrica es capaz de desviar una brújula, debemos suponer que las cargas eléctricas en movimiento producen los mismos efectos de los imanes. De acuerdo con la tercera ley de Newton, la ley de acción y reacción, si una corriente eléctrica ejerce fuerza sobre un imán, es lógico suponer el efecto contrario; la acción de un imán sobre una corriente eléctrica. Al aproximar un imán a una espira metálica a la que se ha conectado un amperímetro, se detecta el paso de corriente, siempre que el imán esté en movimiento. Si alejamos el imán de la espira, en vez de acercarlo a ella, el sentido en que circula la corriente es el contrario. 3

4 En 1832, Faraday observó que esta suposición era correcta: al aproximar un imán a una espira metálica se observa que, mientras el imán está en movimiento respecto a la espira, por ésta circula una corriente eléctrica. A este fenómeno lo denominamos inducción electromagnética y es la base, por ejemplo, del funcionamiento de los transformadores. El magnetismo es, por tanto, un fenómeno íntimamente relacionado con la electricidad. Ello explica que el electromagnetismo sea uno de los temas de estudio de gran importancia en la Física y en la Ingeniería. Una carga eléctrica en reposo produce un campo eléctrico y si la carga eléctrica está en movimiento produce, además, un campo magnético. La interacción del campo eléctrico y del campo magnético, en movimiento, da lugar a fenómenos electromagnéticos como son la emisión de ondas luminosas, ondas de Radio y de TV, entre otras. EXPLICACIÓN DEL MAGNETISMO NATURAL Experiencias posteriores a la de Oersted confirmaron que las corrientes eléctricas producen los mismos efectos que los imanes. Ampére observó que las corrientes eléctricas se atraían o repelían entre sí y que podían atraer limaduras de hierro. En 1823, sugirió que el magnetismo natural era debido a pequeñas corrientes cerradas en el interior de la materia. En la actualidad, identificamos esas pequeñas corrientes con el movimiento de los electrones en el interior de los átomos. Un electrón que gira alrededor del núcleo equivale a una corriente que produce los mismos efectos magnéticos que un pequeño imán. Por otro lado, los electrones giran sobre sí mismos produciendo efectos magnéticos adicionales (spin). Podemos imaginar que en cualquier material existen muchos imanes de tamaño atómico. En la mayoría de los casos, estos pequeños imanes o dipolos magnéticos están orientados al azar y sus efectos se cancelan. Sin embargo, en ciertas sustancias, estos dipolos magnéticos están orientados en el mismo sentido. En tal caso, los efectos de cada dipolo magnético se suman formando un imán natural. Para explorar la relación que existe entre la corriente eléctrica y el magnetismo, nada mejor que realizar una pequeña experiencia para la cual es necesario un clavo o un tornillo de acero de unos 6 cm de largo, unos clips, una pila de tipo AA de 1,5 voltios y cable del utilizado para instalaciones de teléfono. Para fabricar un electroimán necesitamos enrollar el cable en torno al clavo, de modo que haya unas 50 vueltas. Cuando conectamos los bordes de la pila, el clavo se trasformara en un imán capaz de atraer los clips. Cuando desconectamos los cables de la pila, el clavo perderá su magnetismo y los clips dejaran de ser atraídos. Esta experiencia requiere de cuidado, pues la corriente eléctrica no sólo produce magnetismo, sino que también genera calor, de modo que tanto el cable como la pila pueden alcanzar una temperatura alta. En un electroimán las posiciones de los polos norte y sur dependen del sentido de avance de la corriente eléctrica, de manera que al cambiar la posición de los polos positivo y negativo también se modifican las posiciones de los polos del imán. 4

5 QUÉ ENCONTRAMOS DENTRO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTÍNUA? Existen diferentes tipos de motores, pero de entre todos tal vez sean los llamados motores de corriente continua los que permiten ver de un modo más simple cómo obtener movimiento. Gracias a la interacción entre el campo magnético creado por una corriente y un campo magnético fijo. La figura muestra de modo esquemático las partes principales de un motor de corriente continua. El elemento situado en el centro es la parte del motor que genera movimiento. Se la llama armadura o rotor, y consiste en un electroimán que puede girar libremente en torno a un eje. Dicho rotor está rodeado por un imán permanente, cuyo campo magnético permanece fijo. El electroimán recibe la corriente a través del contacto establecido entre las escobillas y el conmutador. Las escobillas permanecen fijas, mientras que el conmutador puede girar libremente entre ellas siguiendo el movimiento de rotor. Cuando la corriente pasa a lo largo del electroimán, sus polos son atraídos y repelidos por los polos del imán fijo, de modo que el rotor se moverá hasta que el polo norte del electroimán quede mirando al polo sur del imán permanente. Pero tan pronto como los polos del rotor quedan mirando a los polos del imán, se produce un cambio en el sentido de la corriente que pasa por el rotor. Este cambio es debido a que el conmutador, al girar, modifica los contactos con las escobillas e intercambia el modo en que el electroimán recibe la corriente de la pila. Al modificarse el signo de los polos del electroimán, los polos del rotor resultaran repelidos por los polos del imán fijo, pues en esta nueva situación estarán enfrentados polos de igual signo, con lo cual el rotor se ve obligado a seguir girando. Nuevamente, cuando los polos del electroimán estén alineados con los polos opuestos del imán fijo, el contacto entre escobillas y conmutador modificará el sentido de la corriente, con lo cual el rotor será forzado será forzado a seguir girando. 5

6 REPRESENTACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO Las líneas de inducción magnética nos permiten visualizar un campo magnético. Al igual que las líneas de campo eléctrico, estas líneas se trazan de modo que cumplen las condiciones siguientes: - En cada punto del espacio el vector inducción magnética, B, es tangente a las líneas de inducción y tiene el mismo sentido de estas. - La densidad de las líneas de inducción magnética en una región es proporcional al modo de B en dicha región. Esto es, el campo magnético es más intenso en las regiones donde las líneas de inducción están mas juntas. Sin embargo, las líneas de inducción magnética presentan diferencias respecto a las líneas de campo eléctrico: - Las líneas de inducción no tienen principio ni fin, pues son líneas cerradas. Así, en un imán, las líneas de inducción salen del polo norte del imán, recorren el espacio exterior, entran por el polo sur y continúan por el interior del imán hasta su polo norte. 6

7 EJERCICIOS 1. En nuestra vida cotidiana es frecuente encontrar imanes en A) todas las alternativas siguientes. B) teléfonos. C) televisores. D) discos duros (HD). E) refrigeradores. 2. Se tienen algunos imanes y en algunos de ellos se señalaron cuatro polos con las letras X,Y,W y Z. Al acerca algunos de ellos a los otros, de dos en dos, se notó que : X atrae a Z y repele a Y mientras que Z repele a W. Si conocemos que Y es un polo Sur, entonces es verdadera A) X repele a W B) Z repele a W C) W es un polo Sur D) Y repele a Z E) X e Y son polos diferentes 3. Una brújula nos podría servir para conocer I. la dirección en que se encuentra el Polo Sur geográfico de la Tierra. II. si por un conductor circula una corriente contínua. III. si dentro de un paquete hay objetos de Hierro. es (son) verdadera(s) A) Sólo I B) Sólo I y II C) Sólo I y III D) Sólo II y III E) I, II y III 4. La razón por la cual un campo magnético puede ejercer una fuerza sobre un conductor donde circula una corriente eléctrica continua, se debe a que A) todos los conductores son magnéticos B) el conductor es de cobre C) el conductor es metálico D) las cargas en movimiento generan un campo magnético E) ninguna de las anteriores. 5. El origen de las propiedades magnéticas de los imanes naturales se debería a: A) porque los electrones forman una nube alrededor del núcleo del átomo. B) por la rotación de los electrones en torno al núcleo. C) por la interacción entre los electrones y el núcleo. D) por la rotación de los electrones en torno a si mismos. E) por la acción combinada de los hechos señalados en B y D. 7

8 6. La mayor parte de los imanes pierden sus propiedades magnéticas cuando A) aumentamos la presión. B) aumentamos su temperatura. C) se mueven muy rápido. D) están en reposo por mucho tiempo. E) se colocan en el vacío. 7. Respecto de el hecho que la tierra en un gran imán, se formulan las siguientes afirmaciones: I. Una razón de este fenómeno es la rotación de la Luna alrededor de la Tierra. II. Una explicación de ello es la presencia de Hierro y Niquel líquido en el centro de la Tierra III. Ese hecho se explica por la radiación solar De ellas, es (son) verdaderas: A) Sólo II B) Sólo I y II C) Sólo II y III D) I, II y III E) Ninguna de ellas 8.- La inducción magnética consiste en la generación de una corriente en una espira debido a la interacción entre A) dos imanes en reposo, cerca de la espira, también en reposo B) dos corrientes, circulando por espiras cercanas, en reposo C) un imán en movimiento hacia una espira en reposo D) un imán y una espira, que se mueven con velocidad constante entre ellos E) el imán y la espira, ambos en reposo 9. Si un electrón se desvía al pasar por cierta región del espacio, esto se debe a que: I. En esa región puede existir un campo gravitacional. II. En esa región existe un campo eléctrico. III. En esa región hay un campo magnético. De esas afirmaciones, es (son) verdadera(s): A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo II y III E) Sólo I y III DMSE-FC15 Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra web 8