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ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECANICA ESCUELA DE INGENIERIA AUTOMOTRIZ ELECTROTECNIA

Tema: Propiedades básicas del magnetismo y electromagnetismo Nombres: Raúl Darío Apellidos: Sánchez León Curso: Cuarto “A” Código: 1757 Fecha: 29-10- 2015 Correo electrónico: [email protected]

Propiedades básicas del magnetismo

Magnetismo El fenómeno del magnetismo era conocido ya por los antiguos griegos desde hace más de 2000 años. Se observaba que ciertos minerales (imanes) podían atraer o repeler pequeños objetos de hierro. De hecho, el nombre de magnetismo proviene de la provincia griega Magnesia, donde se encuentran los yacimientos más importantes de la magnetita (Fe3O4), mineral con acusadas propiedades magnéticas. Aunque se tenía conocimiento de este fenómeno de forma experimental no fue hasta mediados del siglo XIX cuando se formularon teóricamente todas las interacciones de tipo eléctrico y magnético, resumidas en las ecuaciones de Maxwell. En un átomo cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán (véase momento dipolar magnético electrónico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados. Nociones previas Las

propiedades magnéticas son más acusadas en los extremos del imán, que se denominan polos magnéticos, polo Norte (N) y polo Sur (S). Del mismo modo que cargas eléctricas del mismo signo se repelen y de distinto se atraen, imanes que se acercan por polos iguales se repelen y si se acercan por polos opuestos se atraen. Es imposible aislar un único polo magnético, de modo que si un imán se parte en dos, en cada trozo vuelve a haber un polo Norte y uno Sur.

De forma análoga al campo eléctrico en magnetismo hablamos en términos de un vector llamado campo magnético B representado por sus líneas de campo de modo que en cada punto del espacio el campo es tangente a dichas líneas. El hecho de que los polos magnéticos nunca se puedan dar por separado se traduce en que las líneas de campo son siempre cerradas, saliendo del polo Norte y entrando por el polo Sur. Propiedades La intensidad Es el flujo de carga o la carga que atraviesa la sección normal S en la unidad de tiempo, que será el producto de los siguientes términos: Número de partículas

por unidad de volumen, n La carga de cada partícula, q. El área de la sección normal, S La velocidad media de las partículas, v. Sea n el número de partículas por unidad de volumen, v la velocidad media de dichas partículas, S la sección del haz y q la carga de cada partícula. La carga Q que atraviesa la sección normal S en el tiempo t, es la contenida en un cilindro de sección S y longitud v·t. Carga Q = (número de partículas por unidad de volumen n)· (carga de cada partícula q) · (volumen del cilindro Svt) Q =n·qS·v·t Dividiendo Q entre el tiempo t obtenemos la intensidad de la corriente eléctrica. i=nqvS Fuerza sobre una porción de 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. Cualquier campo magnético requiere del movimiento de una carga eléctrica Un circuito de corriente en forma de anillo es equivalente a un dipolo. El campo magnético H a lo largo del eje de un solenoide con n vueltas por el que circula una corriente I es H =nI En imanes permanentes el campo es debido al movimiento de electrones en los átomos constituyentes. En coordinadas esféricas el campo debido a un dipolo de momento m es: Hr = 2m cosq /4p 3 H q= m sin q/4 p3 B es la intensidad del campo debido a corrientes aisladas (en espacio libre). Tambén se le llama Inducción magnética o Densidad de flujo magnético. Una definición apropiada es la siguiente: Una corriente eléctrica induce una fuerza sobre una carga en movimiento, la fuerza es el producto vectorial de la inducción magnética y la velocidad de la carga (la fuerza de Lorentz). Unidades de B

tesla (T) = weber*m2=(Newton/Coulomb)/(m/s) = N/(Am) [SI] gauss (G) = 10-4 T [cgs] Unidades de H oersted (Oe) [cgs] A/m = 4 p * 10-3 oersted [SI] El Uso del Sistema Internacional (SI) de unidades crea cierta confusión en la conversión de unidades, que generalmente resulta por una terminología inadecuada. Existe cuatro unidades fundamentales, el campo magnético H , la inducción magnética B, la magnetización J (más correctamente llamada polarización magnética), y el momento magnético por unidad de volumen M. Campo magnético terrestre ~ 0.3-0.6 gauss En Geofísica se usa nanotesla nT (10-9 T) = gamma g (10-5 G) En el sistema cgs B=H+4 pM . En SI B=µoH + M , donde µo es permeabilidad en el espacio libre, con un valor de 4 p * 10 -7 henry/m.

la

Los campos magnéticos no son centrales (como la gravedad) No existen monopolos magnéticos (siempre hay como mínimo un dipolo

Propiedades básicas del electromagnetismo Teoría electromagnética A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable recorrido por una corriente. En 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético, mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica.

La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético.

Inducción Magnética Si

que

cogemos un alambre de cobre o conductor de cobre, ya sea con forro aislante o sin éste, y lo movemos de un lado a otro entre los polos diferentes de dos imanes, de forma tal que atraviese y corte sus líneas de fuerza magnéticas, en dicho alambre se generará por inducción una pequeña fuerza electromotriz (FEM), es posible medir con un galvanómetro, instrumento semejante a un voltímetro, que se utiliza para detectar pequeñas tensiones o voltajes.

Este fenómeno físico, conocido como "inducción magnética" se origina cuando el conductor corta las líneas de fuerza magnéticas del imán, lo que provoca que las cargas eléctricas contenidas en el metal del alambre de cobre (que hasta ese momento se encontraban en reposo), se pongan en movimiento creando un flujo de corriente eléctrica. Es preciso aclarar que el fenómeno de inducción magnética sólo se produce cada vez que movemos el conductor a través de las líneas de fuerza magnética. Sin embargo, si mantenemos sin mover el alambre dentro del campo magnético procedente de los polos de los dos imanes, no se inducirá corriente alguna. En esa propiedad de inducir corriente eléctrica cuando se mueve un conductor dentro de un campo magnético, se basa el principio de funcionamiento de los generadores de corriente eléctrica. Ahora bien, si en vez de moverlo colocáramos el mismo conductor de cobre dentro del campo magnético de los dos imanes y aplicamos una diferencia de potencial, tensión o voltaje en sus extremos, como una batería, por ejemplo, el campo magnético que produce la corriente eléctrica alrededor del conductor al circular a través del mismo, provocará que las líneas de fuerza o campo magnético de los imanes lo rechacen. De esa forma el conductor se moverá hacia un lado o hacia otro, en dependencia del sentido de circulación que tenga la corriente, provocando que rechace el campo magnético y trate de alejarse de su influencia.

Cuando aplicamos una diferencia de potencial, tensión o voltaje a un conductor y lo situamos dentro de las líneas de fuerza de un campo magnético, como el de dos imanes, por ejemplo, éste será rechazado hacia uno u otro lado, en dependencia del sentido de dirección que tenga la corriente que fluye por el conductor Propiedades Flujo magnético Un campo magnético puede representarse por medio de las líneas de inducción. Por convenio, el número de estas líneas por unidad de superficie normal a su dirección, mide el valor de la intensidad del campo magnético. El número total de líneas de inducción que atraviesan una superficie se denomina flujo. Ondas electromagnéticas Según Faraday, un campo magnético variable, induce un campo eléctrico también variable, como en electrostática se hace hincapié de que toda carga eléctrica en reposo crea a su alrededor un campo eléctrico, cuya intensidad difiere en cada punto. El científico Maxwell, basado en consideraciones puramente teóricas, sospecho que sería posible demostrar que un campo eléctrico variable debería inducir un campo magnético también variable, semejante al creado por cargas eléctricas en movimiento, como lo demostró en el experimento de Oersterd. Se supone que se carga un condensador por un procedimiento cualquiera como en el siguiente ejemplo uniendo sus placas a los bornes de una pila eléctrico como se muestra. A medida que el condensador se va cargando, el campo eléctrico entre sus placas va variando y como resultado de esta variación del campo eléctrico aparece un campo magnético, cuya existencia se puede comprobar. Ley de Faraday Para algunas leyes físicas, es difícil encontrar experimentos que conduzca de una manera directa y convincente a la formulación de la ley de Gaus, por ejemplo fue esbozándose lentamente como el factor común con cuya ayuda todos los experimentos electrostáticos podían interpretarse y correlacionarse.

La ley de inducción electromagnética de Faraday que es una de las ecuaciones fundamentales de electromagnetismo. Algunos de Los experimentos fueron llevados por Michael Faraday en Inglaterra en 1813 y por, Joseph Henry en los Estados Unidos aproximadamente en la misma época. Se tienen las terminales de una bobina conectada en un galvanómetro normalmente no sería de esperarse que este instrumento se desvía debido a que no hay fuerza electromotriz en este circuito pero si se introduce un imán recto en la bobina con su polo norte dirigiéndose a ella, ocurre una cosa notable mientras que el imán se va moviendo, el galvanómetro se desvía, poniendo de manifiesto que está pasando una corriente por la bobina. Si el imán se sostiene fijo con respecto a la bobina, el galvanómetro no se desvía si el imán se mueve alejándose de la bobina el galvanómetro se desvía pero en sentido contrario, lo cual hay que decir que la corriente en la bobina está en sentido contrario si se usa el extremo del polo sur de un imán en lugar de extremos norte el experimento resulta igual pero las desviaciones son exactamente al contrario. Otros experimentos muestran que lo que importa es el movimiento relativo del imán y de la bobina no importa que el imán se mueva hacia la bobina o la bobina hacia el imán. La corriente que aparece en este experimento se llama corriente inducida y se dice que es producida por una fuerza electromotriz inducida. Faraday pudo deducir de experimentos como está la ley que da su magnitud y dirección

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