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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN U.E.N JOSÉ ANTONIO CALCAÑO SAN FRANCISCO ESTADO –ZULIA

GRADO: 5TO SECCIÓN: “B”

Nombre: Carlos Parra C.I: 26.845.246

1.- ¿QUÉ ES EL MAGNETISMO?

El magnetismo constituye uno de los fenómenos más atractivos y misteriosos conocido desde la antigüedad, en un principio se manifestó por medio de la atracción que ejercían ciertas piedras llamadas imanes sobre algunos materiales específicos como el hierro, el níquel y el cobalto. Hoy día se sabe que toda la materia presenta propiedades magnéticas en determinadas condiciones y existen diferentes tipos de magnetismo y variables magnéticas que lo caracterizan. Se hace referencia aquí a las manifestaciones más elementales de los imanes. 2.- ¿QUÉ ES UN IMÁN Y QUE SUSTANCIAS PUEDEN ACTUAR COMO IMANES? ¿Qué es un imán? Piedra de Hércules fue uno de los nombres que los griegos le dieron a esta piedra misteriosa. Piedra de Magnesia fue otro, debido a la abundancia de este mineral en esta zona del Asia menor; para los latinos el nombre utilizado fue magnes de donde se deriva la palabra magnetismo, palabra utilizada hoy para designar la propiedad del imán de atraer a otros materiales y a todo el conocimiento acerca de ella. Los imanes naturales son piedras de un óxido de hierro llamado Magnetita(Fe 3 O 4 ), que han adquirido la propiedad de atraer a algunos elementos tales como: hierro, cobalto níquel, gadolinium, dysprosium o aleaciones de estos elementos. Uno de los primeros hechos evidentes del magnetismo natural es que existen algunas sustancias, como la magnetita, que son imanes muy potentes. También es conocido que la Tierra entera actúa como un gran imán y que astros como el Sol ejercen acciones magnéticas muy importantes. También se construyen imanes artificiales con distintas sustancias y aleaciones (hierro, níquel, cobre, neodimio, acero, etc.). Todos los imanes se ejercen entre sí fuerzas magnéticas, pero también actúan sobre otros objetos. Las observaciones sobre el comportamiento de los imanes permiten constatar que ejercen una fuerte acción, fundamentalmente sobre el hierro y el acero y, con menor intensidad, sobre algunos otros metales como, por ejemplo, el níquel y el cobalto. En otros casos, por ejemplo, sobre aluminio u oro, la fuerza magnética no se puede apreciar a simple vista. 3.- ¿LA TIERRA ES UN GRAN IMÁN? El hecho de que una brújula se orienta siempre con su polo Norte magnético apuntando hacia el Norte geográfico de la Tierra fue observado por primera vez por el médico y científico inglés Gilbert en el año 1600 por lo que se concluye que la Tierra funciona como un gigantesco imán permanente. La razón por la que la Tierra (y otros planetas) producen un campo magnético es todavía objeto de controversia, aunque es admitido que está relacionado con la existencia de iones y material ferromagnético en el núcleo y con la velocidad de rotación. Como los polos opuestos se atraen, significa que el Polo Norte geográfico de la Tierra es en realidad el Polo Sur magnético y viceversa (en realidad no coinciden exactamente, están separados unos 1800 km). Las líneas de campo

magnético terrestre salen entonces del Polo Sur geográfico y entran por el Polo Norte, y la intensidad del campo es en promedio de 0.5 G (0.3 G en el ecuador y 0.7 G en los polos).

4.- ¿CÓMO SE EJERCE LA FUERZA MAGNÉTICA DE LOS IMANES? Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. Las fuerzas magnéticas entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza magnética entre cargas en movimiento. Los imanes, como las pilas, tienen dos polos, en ellos se llaman polo norte y sur. Alrededor de ellos se crea un área llamada campo magnético. La Tierra también actúa como un imán, porque tiene polo norte y sur. Un imán puede atraer a otro cuando el polo norte de uno de ellos está dirigido al polo sur del otro. Pero, si por el contrario, ambos polos son del mismo tipo, por ejemplo polo sur en ambos, o polo norte, los imanes se repelan y se alejan. 5.- ¿QUÉ SUCEDE SI SE PARTE UN IMÁN? Si se rompe un imán, cada uno de los trozos se comporta como nuevo imán y presenta sus propios polos: norte y sur. Cuando se aproxima una aguja imantada o brújula a un imán, el polo sur de la aguja se orienta hacia el polo norte debido a la atracción entre ambos. Es imposible separar los polos de un imán. Un imán esta hecho de materiales que son altamente magnéticos, dicho imán tiene dos polos (+ y -), este magnetismo se deriva por el magnetismo terrestre, es decir, la tierra está envuelta por un campo magnético que hace que el imán oriente sus partículas de modo que queda un polo (+) y otro (-), como los polos magnéticos terrestres. Si tu rompes un imán, en dos, tres, cuatro o más partes, no significa que te quedará en una mano la parte positiva y la parte negativa en la otra los pedazos de imán siguen orientándose según lo marca el magnetismo terrestre, o sea que siguen quedando dos polos en los pedazos del imán. 6.- ¿QUÉ OCURRE CON UN TROZO DE ACERO CUANDO SE FROTA CON UN IMÁN? ¿Cómo se imanta el acero? Antes de contestar a esta pregunta, que los lectores suelen hacer con frecuencia, hay que dejar bien sentada la diferencia que existe entre un imán y una barra de acero sin imantar. Cada uno de los átomos de hierro que entran en la composición del acero -esté o no imanado -, se puede representar como un imán pequeñísimo.

En el acero sin imantar estos imancitos atómicos se encuentran en desorden, por lo que la acción de cada uno de ellos es anulada por la de otro situado a la inversa. En el imán, por el contrario, todos los imanes elementales están ordenados, todos los polos de un mismo nombre están dirigidos en la misma dirección, ¿Qué ocurre con un trozo de acero cuando se frota con un imán? La atracción del imán hace que todos los imanes elementales de la barra de acero giren y se coloquen de forma que todos los polos del mismo nombre se orienten en la misma dirección. Los imanes elementales vuelven sus polos sur hacia el polo norte del imán y después, a medida que éste se va desplazando, se sitúan siguiendo la dirección de su movimiento, con los polos sur vueltos hacia el centro de la barra. Ahora se comprende con facilidad lo que hay que hacer con el imán para imantar una barra de acero. Hay que acercar uno de los polos del imán a un extremo de la barra y, apretándolo contra ella, pasarlo a lo largo hasta llegar al otro extremo. Este es uno de los procedimientos más simples y más antiguos de imantar, pero sirve únicamente para obtener imanes débiles de pequeñas dimensiones. Los imanes potentes se construyen aprovechando las propiedades de la corriente eléctrica. Últimamente se ha conseguido crear aleaciones que poseen propiedades magnéticas decenas y hasta centenares de veces más intensas que las de los imanes naturales. 7.- ¿CÓMO PODEMOS MEDIR LA FUERZA EN DOS IMANES? Para poder calcular la fuerza magnética que ejercen los imanes, podemos emplear algunas ecuaciones para hallar el valor de la fuerza que se ejercen. Hay dos ecuaciones que puedes emplear, una depende de la carga, la velocidad y el campo magnético: Fm = qvBsenθ Donde Fm= fuerza magnética expresada en Newton [N]. q = magnitud de la carga eléctrica en Coulomb [C], v = velocidad de la carga dad en metros por segundo [m/s], B = campo magnético expresado en Tesla [T], senθ = ángulo entre las líneas de campi y la velocidad. La otra ecuación es: Fm = ILBsenθ Donde, I = la corriente eléctricaen Ampère [A], L = longitud del alambre que transporta la corriente dada en metro [m] B = campo magnético en Tesla [T],

senθ = ángulo entre la dirección de la corriente y la dirección del campo magnético. 8.- RELACIÓN ENTRE LA ELECTRICIDAD Y EL MAGNETISMO El magnetismo y la electricidad implican la atracción y la repulsión entre partículas cargadas y las fuerzas ejercidas por estas cargas. La interacción entre el magnetismo y la electricidad se llama electromagnetismo. El movimiento de un imán puede generar electricidad. El flujo de electricidad puede generar un campo magnético. Los campos magnéticos y eléctricos de corriente El magnetismo hace que una aguja de brújula apunte hacia el norte, a menos que esté en presencia de un campo magnético diferente. En 1820, Hans Christian Oersted observó que la aguja de una brújula no apuntaba hacia el Norte cuando la sostuvo cerca de una corriente eléctrica que fluía a través de un cable. Después de la experimentación adicional, llegó a la conclusión de que la corriente eléctrica en el cable producía un campo magnético. Electroimanes La corriente eléctrica que fluye a través de un solo bucle de alambre no genera un campo magnético muy potente. Una bobina de hilo enrollado muchas veces hace que un campo magnético sea más fuerte. La colocación de una barra de hierro dentro de la bobina de alambre hace un electroimán que es cientos de veces más fuerte que una bobina simple. 9.- DESCRIBE LA EXPERIENCIA OERSTED En 1820 Hans Christian Oersted, un científico danés, realizó un experimento crucial en la historia de la Física, ya que con él se demostró la unión entre electricidad y magnetismo. El experimento de Oersted fue muy sencillo: colocó una aguja imantada próxima a un conductor por el que circulaba una corriente eléctrica. Increíblemente la aguja se desvió evidenciando la presencia de un campo magnético. La conclusión era bastante sencilla: las corrientes eléctricas generan campos magnéticos, demostrándose de esta manera la relación entre corrientes eléctricas y campos magnéticos. El valor del campo magnético (B) creado por un hilo por el que circula una corriente de intensidad I en un punto situado a una distancia r, viene dado por la ley de Biot-Savart: Las líneas del campo magnético son circunferencias concéntricas al hilo y situadas en un plano perpendicular al mismo. El sentido del vector campo magnético (B) es el del sacacorchos que avanza en el sentido de la corriente o el que marca los dedos de la mano derecha al cerrarse sobre la palma con el pulgar orientado en el sentido de la corriente.

10.- DEFINE CAMPO MAGNÉTICO Los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas, las cuales pueden ser corrientes macroscópicas en cables, o corrientes microscópicas asociadas con los electrones en órbitas atómicas. El campo magnético B se define en función de la fuerza ejercida sobre las cargas móviles en la ley de la fuerza de Lorentz. La interacción del campo magnético con las cargas, nos conduce a numerosas aplicaciones prácticas. Las fuentes de campos magnéticos son esencialmente de naturaleza dipolar, teniendo un polo norte y un polo sur magnéticos. La unidad SI para el campo magnético es el Tesla, que se puede ver desde la parte magnética de la ley de fuerza de Lorentz, Fmagnética = qvB, que está compuesta de (Newton x segundo)/(Culombio x metro). El Gauss (1 Tesla = 10.000 Gauss) es una unidad de campo magnético más pequeña. 11.- LÍNEA DE CAMPO MAGNÉTICO Cuando los investigadores trazan el flujo tridimensional de un río alrededor del pilar de un puente o del viento alrededor del ala de un aeroplano, lo modelizan usando líneas de flujo dinámico, unas líneas que trazan el flujo de las partículas de agua o aire. Las líneas del campo magnético describen de forma similar la estructura del campo magnético en tres dimensiones. Se definen como sigue. Si en cualquier punto de dicha línea colocamos una aguja de compás ideal, libre para girar en cualquier dirección (diferente a la aguja normal que permanece horizontal, la aguja siempre apuntará a lo largo de la línea de campo. Las líneas de campo convergen donde la fuerza magnética es mayor y se separan donde es más débil. Por ejemplo, en una barra imantada compacta o "dipolo", las líneas de campo se separan a partir de un polo y convergen en el otro y la fuerza magnética es mayor cerca de los polos donde se reúnen. El comportamiento de las líneas en el campo magnético terrestre es muy similar. Las líneas de campo fueron introducidas por Michael Faraday, que las denominó "líneas de fuerza". Durante muchos años fueron vistas meramente como una forma de visualizar los campos magnéticos y los ingenieros eléctricos preferían otras formas, más útiles matemáticamente. Sin embargo no era así en el espacio, donde las líneas eran fundamentales para la forma en que se movían los electrones e iones. Estas partículas cargadas eléctricamente tienden a permanecer unidas a las líneas de campo donde se asientan, girando en espiral a su alrededor mientras se deslizan por ellas, como las cuentas de un collar. 12.- FUERZA EJERCIDA SOBRE UNA CARGA EN MOVIMIENTO Sobre una carga eléctrica en movimiento que atraviese un campo magnético aparece una fuerza denominada Fuerza Magnética. Ésta modifica la dirección de la velocidad, sin modificar su módulo. El sentido se calcula por la regla de la mano derecha (índice = velocidad, mayor = campo, pulgar = fuerza, formando

90 grados entre cada uno de los tres dedos). El sentido de la fuerza es para cargas positivas. Si las cargas son negativas el sentido es el opuesto al obtenido con la regla de la mano derecha. Valor de la fuerza magnética Fm = q v B sen θ q = Valor de la carga v = Velocidad B = Campo magnético θ = Angulo entre la velocidad y el campo 13.- DIRECCIÓN Y SENTIDO DE LA FUERZA MAGNETIZA El sentido en que la carga recorre la circunferencia depende de que la carga sea positiva o negativa. Para determinar el sentido del movimiento, aplicamos la siguiente regla: Si colocamos la mano derecha con el pulgar extendido y apuntando en la dirección del campo, y luego cerramos la mano, el sentido en el que se arrollan los demás dedos coincide con la dirección en que se mueven las cargas negativas y con la contraria al movimiento de las cargas de las positivas. Cuando se lanza una carga en dirección oblicua a un campo magnético, se observa que la carga describe una trayectoria en espiral. Esto se debe a que el movimiento paralelo al campo magnético no es afectado por éste, mientras que el movimiento perpendicular al campo es circular. La composición de ambos movimientos da lugar a una trayectoria en espiral. El análisis de las diversas trayectorias de una partícula cargada moviéndose en un campo magnético indica que la fuerza magnética sobre una carga eléctrica es perpendicular a la velocidad de la carga y perpendicular al campo magnético. Por tanto, deducimos que la carga magnética sobre una carga magnética es perpendicular al plano determinado por la velocidad de la carga y dirección del campo magnético. La dirección de la fuerza magnética se determina por la regle de la mano derecha (ver figura), si se disponen los dedos de la mano derecha como se ilustra, de modo que el dedo mayor indique la dirección de la velocidad y el pulgar señale la dirección del campo magnético, la fuerza magnética tiene la dirección del índice si la carga es positiva, y contraria si la carga es negativa. 14.- FUERZA DE LORENTZ Al contrario que en los campos eléctricos, una partícula cargada que se encuentre en reposo en el interior de un campo magnético no sufre la acción de ninguna fuerza. Otra caso bien distinto se produce cuando la partícula se encuentre en movimiento, ya que por el contrario, en este caso, la partícula sí

que experimentará la acción de una fuerza magnética que recibe el nombre de fuerza de Lorentz. Por tanto, los campos magnéticos son generados por cargas en movimiento y sólo ejercen una acción sobre cargas eléctricas que se encuentran en movimiento. La ley de Lorentz establece que una partícula cargada q que circula a una velocidad v⃗ por un punto en el que existe una intensidad de campo magnético B⃗ , sufrirá la acción de una fuerza F⃗ denominada fuerza de Lorentz cuyo valor es proporcional al valor de q, B⃗ y v⃗ se obtiene por medio de la siguiente expresión: F⃗ =q⋅v⃗ ×B⃗ De la ecuación anterior podemos extraer las siguientes conclusiones: 

Su módulo es F=|q|⋅v⋅B⋅sin α, donde α es el angulo formado entre v⃗ y B⃗ .



Su dirección es perpendicular al plano que forman v⃗ y B⃗ (debido al producto vectorial entre ambos vectores).



Su sentido será el de v⃗ ×B⃗ si q es positivo y el contrario si es negativo.

De una forma gráfica es posible determinar la dirección y sentido de la fuerza de Lorentz aplicando la regla de la mano derecha. Para ello sitúa tu mano derecha de tal forma que tu dedo índice coincida con la dirección y sentido del vector velocidad, el medio (o corazón) coincida con la dirección y sentido del campo magnético. Si la carga es positiva, tu dedo pulgar estará indicando la dirección y sentido de dicha fuerza. Si es negativa estará indicando su dirección aunque el sentido será el contrario del que marca tu pulgar. En resumen, según la expresión de la ley de Lorentz la fuerza de Lorentz será: 



Nula o

Si la partícula no posee carga. q = 0 -> F = 0.

o

Si la partícula está en reposo. v = 0 -> F = 0.

o

Si la velocidad de la partícula es paralela al campo. F = |q| ·v·B·sen 0 -> F = 0

Máxima. Si v y B son perpendiculares ( α = 90º ) entonces F = |q|·v·B·sin 90 = |q|·v·B.

15.- FUERZA MAGNÉTICA EJERCIDA SOBRE UN CONDUCTOR RECTILÍNEO En el espectrómetro de masas o en el ciclotrón, ya hemos estudiado la fuerza que ejerce un campo magnético sobre un portador de carga y el movimiento que produce.

En la figura, se muestra la dirección y sentido de la fuerza que ejerce el campo magnético B sobre un portador de carga positivo q, que se mueve hacia la izquierda con velocidad v.

Calculemos la fuerza sobre todos los portadores (nSL) de carga contenidos en la longitud L del conductor.

El vector unitario ut=v/v tiene la misma dirección y sentido que el vector velocidad, o el sentido en el que se mueven los portadores de carga positiva. En el caso de que el conductor no sea rectilíneo, o el campo magnético no se constante, se ha de calcular la fuerza sobre un elemento de corriente dl



Las componentes de dicha fuerza dFx y dFy



Se ha de comprobar si hay simetría de modo que alguna de las componentes sea nula



Finalmente, se calculará por integración las componentes de la fuerza total F

En el apartado, "Fuerza sobre un circuito cerrado", se proporcionan algunos ejemplos