N S
Objetivos: Φ Aplicar correctamente los conceptos básicos magnetismo sobre Φ Definir el concepto de campo magnético y fuerza magnética. Φ Definir el campo magnético, discutir los polos magnéticos y las líneas de flujo. Φ Resolver problemas que involucren la magnitud y dirección de fuerzas sobre cargas que se mueven en un campo magnético.
M a g n e t i s m o : P r o v i e n e de M a g n e s i a, u n a c i u d a d de la a n t i g u a G r e c i a en la q u e a b u n d a b a un m i n e r a l c o n p r o p i e d a d e s m a g n é t i c a s ( e s d e c i r, c a p a z de a t r a e r al h i e r r o y a o t r o s m e t a l e s ). E s t e m i n e r a l se c o n o c e a h o r a c o n el n o m b r e de m a g n e t i t a.
La Tierra tiene un campo magnético con polos Norte y Sur. El campo magnético de la Tierra alcanza aproximadamente 36 000 millas en el espacio. El campo magnético terrestre genera un escudo protector contra las partículas cargadas provenientes del sol, pues desvía la mayor parte del viento solar. Dicho escudo es denominado MAGNETÓSFERA.
Movimiento de un núcleo externo, compuesto de hierro líquido, que rodea al núcleo interno. Este océano de hierro que se encuentra en constante movimiento generaría el intenso campo magnético de la Tierra. La interacción de la ionosfera con el viento solar y las corrientes que fluyen por la corteza terrestre también forman parte del campo magnético terrestre. La magnitud del campo magnético terrestre en la superficie de la Tierra es de alrededor de 5,0 x 10 5 T (0,50 G)
La ubicación de los polos magnéticos no es constante, mostrando notables cambios cada año. El campo interno es semejante al producido por un dipolo magnético situado en el centro de la Tierra con una inclinación de 11,5º (declinación magnética) respecto al eje de rotación. Los polos geomagnéticos son los puntos en los que el eje del dipolo interseca a la superficie terrestre, y el ecuador magnético es el plano perpendicular a dicho eje.
Son impredecibles, pues se producen en intervalos irregulares, aproximadamente una vez cada 200 000 años. Duran apenas 5 000 años, con un rango estimado de entre 1 000 y 8 000 años. Durante los últimos 5 millones de años se han dado más de 20 inversiones del campo magnético terrestre. La última inversión del campo magnético de la Tierra ocurrió hace 780 000 años. Ciertas mediciones recientes muestran una reducción del 5% en la intensidad del campo magnético en los últimos 100 años, hecho que ha estimado que el campo magnético terrestre prácticamente desaparecerá dentro de unos 2 000 años aproximadamente. En la Anomalía del Atlántico Sur, la fuerza del campo magnético está disminuyendo diez veces más rápido que en otros lugares.
Mal funcionamiento de los artefactos electrónicos Pérdida del sentido de la dirección en la migración de los pájaros Se debilitará substancialmente el sistema inmunitario de todos los animales, incluyendo a los seres humanos. La corteza terrestre experimentará un aumento de los volcanes, movimientos tectónicos, terremotos y deslizamientos de tierra. Se debilitará la magnetósfera de la Tierra y aumentará muchas veces la radiación cósmica del Sol haciendo inevitables peligros de la radiación como el cáncer y otras enfermedades cutáneas.
Algunas partículas del viento solar pueden penetrar la magnetosfera, estas partículas dan origen a los espectáculos de luces conocidas como auroras polares. En el hemisferio norte se conoce como aurora boreal, y en el hemisferio sur como aurora austral. Ocurre cuando partículas cargadas son guiadas por el campo magnético de la Tierra e inciden en la atmósfera cerca de los polos. Cuando esas partículas chocan con los átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno, que constituyen los componentes más abundantes del aire, parte de la energía de la colisión excita esos átomos a niveles de energía tales (estado excitado), que cuando se des excitan disipan esa energía en forma de luz visible de varios colores.
Cada electrón tiene un momento magnético, es decir, cada uno se comporta como un pequeñísimo imán el cual puede actuar en cualquiera de dos direcciones opuestas.
Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. En general, el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones, los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total mensurable.
Propiedad que se manifiesta en forma natural en ciertas sustancias como el hierro, cobalto y níquel, principalmente, a estos materiales se les conoce como IMANES y que se caracteriza por la aparición de fuerzas de atracción o de repulsión entre ellos. El campo magnético se origina por el movimiento de las cargas eléctricas.
Cuerpos que presentan la propiedad de atraer objetos elaborados con ciertos materiales metálicos, capaz de producir un campo magnético en su exterior Tipos de imanes: A. Naturaleza Imán natural: es un mineral con propiedades magnéticas ; por ejemplo la magnetita. Imán artificial : aquel que ha sido magnetizado por medio de una imantación que puede realizarse por frotamiento, por contacto o por medio de una corriente eléctrica. B. Duración Imán permanente: aquel que conserva la propiedad de magnetismo durante mucho tiempo. Imán temporal: aquel que presenta la imantación bajo determinadas condiciones.
Existen dos zonas magnéticas llamadas polo norte y sur; concepto que introdujo en 1600, el físico William Gilbert. Depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica. Las sustancias ferromagnéticas, como el hierro y el níquel, pierden su magnetismo por encima del denominado Punto de Curie, que es de 770 C para el hierro y de 360 C para el níquel
Un imán crea un campo magnético a su alrededor, que se detecta por la aparición de fuerzas magnéticas, y que se puede representar mediante líneas de campo magnético o de fuerza magnética; concepto acuñado en 1831 por Faraday. Modos de producir un campo magnético Por medio de un cuerpo imanado, A través de una corriente eléctrica. Se mide en cada punto mediante el vector intensidad de campo magnético (B), que es tangente a las líneas de campo magnético.
P R O P I E D A D E S En el exterior del imán, cada línea se orienta desde el polo norte al polo sur. A diferencia de las líneas de campo eléctrico, las líneas de campo magnético son cerradas y no se interrumpen en la superficie del imán. El vector de campo magnético en cada punto del espacio es tangente a la línea de campo que pasa por ese punto. La cantidad de líneas por unidad de área en la vecindad de un punto, es proporcional a la intensidad del campo en dicho punto. Las líneas nunca se interceptan ni se cruzan en ningún punto del espacio.
La unidad de campo magnético en el SI es el Tesla (T) = N/C(m/s)= N/A m = Wb/m 2. Otra unidad utilizada es el Gauss(G); cuya equivalencia 1 T = 10 4 G
Cuando una partícula está en movimiento en una dirección distinta de las líneas de campo magnético, sufre una fuerza magnética que la desviará de su curso. Esta fuerza ejercida por un campo magnético sobre una carga en movimiento, es proporcional a la carga q y a la componente de la velocidad de la carga en la dirección perpendicular a la dirección del campo magnético. Módulo: F = qvbsen = ángulo formado entre v y B Dirección: Regla de la mano derecha
Una forma de indicar las direcciones de los campos perpendiculares a un plano es usar cruces X y puntos : Un campo dirigido hacia el papel se denota mediante una cruz X como las plumas de una flecha. X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Un campo dirigido afuera del papel se denota mediante un punto como la parte frontal de una flecha.
Cuál es la dirección de la fuerza F sobre la carga en cada uno de los ejemplos siguientes? F X X X X X X X X X v X X X + X X X X X X X X X X X X X Arriba Izquierda v X X X X X X F X X X X X X + X X X X X X X X X X X X X F - v q negativa Arriba F - v Derecha
Un conductor recto de longitud L que porta una intensidad de corriente I en forma perpendicular a un campo magnético, experimenta una fuerza magnética cuyo módulo está dado por la relación: Módulo F = IlBsen = ángulo formado entre I y B Dirección: Regla de la mano derecha
En un conductor recto muy largo por el que circula una corriente I, el campo magnético alrededor de él es perpendicular a la corriente, y las líneas del campo toman la forma de anillos concéntricos en torno al alambre, donde la dirección del vector campo magnético es tangente en cada punto a esas líneas. Módulo B = μ 0I 2πr μ 0 = permeabilidad magnética 4π x 10 7 Tm/A Dirección: Regla de la mano derecha
Consiste en apuntar el pulgar derecho en el sentido de la corriente, y el sentido en el que cierran los demás dedos corresponderá al sentido del campo magnético.
Una partícula de masa m y carga q se mueve al interior de un campo magnético B, con una velocidad v perpendicular al vector campo magnético. Esta partícula describe una trayectoria circular de radio r debido a la fuerza magnética que actúa como fuerza centrípeta; es decir:
1. Imán: es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que atrae a otros imanes y/o metales ferromagnéticos. Puede ser natural o artificial. 2. Permeabilidad: a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material. 3. Ferromagnético: es un fenómeno físico en el que se puede ver que los imanes van en el tren de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. 4. Tesla: Se define como una inducción magnética uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de un metro cuadrado, produce a través de esta superficie un flujo magnético total de un weber.
5. Solenoide: es cualquier dispositivo físico capaz de crear un campo magnético sumamente uniforme e intenso en su interior, y muy débil en el exterior. 6. Magnetismo: es un fenómeno natural por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. 7. Campo Magnético: es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos.
Ejemplo 1. Indique la dirección de la Fuerza Magnética según el caso. Ejemplo 2. Un electrón se mueve a 5,7 x 10 6 m/s tal como se indica en la figura a del ejemplo anterior, en presencia de un campo magnético uniforme de 1,4 x 10 2 T que entra al plano. Calcula y dibuja en el diagrama la fuerza magnética experimentada por el electrón.
Ejemplo 3. Un alambre largo y recto conduce una corriente de 5,00 A. En cierto instante, un protón, a 4,00 mm del cable viaja paralelamente en la misma dirección de la corriente a 1,50 x 10 3 m, como se muestra en la figura. s Encuentre la magnitud y dirección del campo magnético creado por el alambre y encuentre la magnitud y dirección de la fuerza magnética que se ejerce sobre el protón
Ejemplo 4. Encuentre la fuerza sobre cada segmento del alambre que se muestra en la figura, si B = 0, 15 T. Suponga que la corriente en el alambre es de 5,0 A. Ejemplo 5. Un electrón de 45,0 kev de energía cinética se mueve en una órbita circular perpendicular a un campo magnético de 0,325 T (1 ev =1,6 x 10 19 J). Determine: a. El radio de la órbita. b. La frecuencia de giro
Ejemplo 6. Un alambre de 21,0 cm de largo se tiende a lo largo del eje z y transporta una corriente de 2,5 A hacia dentro de la hoja. El alambre pasa por un campo magnético uniforme B = (3j 2k) T. Determine la magnitud y dirección de la fuerza magnética resultante. Ejemplo 7. Un electrón entra a un campo magnético uniforme perpendicular a la velocidad. Si el radio de la trayectoria que describe el electrón es de 10 cm, calcula la velocidad v del electrón si el campo magnético es 5,0 x 10 4 T. Encuentra también, el período del movimiento circular del electrón.
Ejemplo 8. Un electrón entra a un campo magnético uniforme de 0,28 T a 3,0 x 10 6 m/s un ángulo de 45 con B; como se muestra en la figura. Determine: A. El radio r B. La magnitud de la fuerza magnética C. Periodo de revolución D. Distancia p