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MAGNETISMO Apellido, Inicial del nombre., Apellido, Inicial del nombre., etc… Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, Medellín - Colombia Facultad de Ciencias básicas, Humanas y Sociales Agosto de 2019 Resumen En el laboratorio se hizo un montaje experimental donde la práctica consistió en colocar las bobinas de Helmholtz conectadas a un circuito, donde su pudo experimentar como se crea un campo magnético y cómo actúa en presencia de diferentes materiales, también se pudo observar el comportamiento de las líneas de campo.

1.Introducción Muchos historiadores de la ciencia creen que la brújula se utilizó en china por primera vez en el siglo XIII A.C., y que su invención es de origen árabe o hindú. Los antiguos griegos tenían conocimiento del magnetismo desde el año 800 A.C. y además, descubrieron que la magnetita (imán natural) atraía pedazos de hierro. En 1269 un francés llamado Pierre de Maricourt trazó las direcciones que seguía una aguja colocada en diversos puntos sobre la superficie de un imán natural esférico. Encontró que las direcciones formaban líneas que encerraban en un círculo a la esfera y que pasaban por dos puntos diametralmente opuestos el uno del otro, a los cuales llamó polos del imán. Experimentos subsecuentes mostraron que todo imán, sin importar su forma, tiene dos polos, llamados polos norte y sur, los cuales ejercen fuerzas sobre otros polos magnéticos de manera análoga a las fuerzas que ejercen entre sí las cargas eléctricas, es decir, polos iguales se repelen entre sí y polos diferentes se atraen uno al otro. Los polos recibieron sus

nombres debido al comportamiento de un imán en la presencia del campo magnético de la tierra. Si un imán de barra se suspende de su punto medio y puede balancearse libremente en un plano horizontal, girar hasta que su polo norte apunta al polo Norte geográfico de la Tierra (polo sur magnético de ella).

Objetivos de la práctica 1. Identificar los tipos de fuerzas magnéticas que se presentan y sus diferencias con las interacciones. 2. Verificar la relación entre magnetismo y electricidad descubierta por Öersted, asociando las corrientes eléctricas como fuente real de campos magnéticos.

La consulta previa

● ¿Cómo funciona una brújula? Las brújulas funcionan detectando los campos magnéticos naturales de la Tierra. Nuestro planeta tiene un núcleo de hierro que es parte líquido y parte cristal sólido por su presión gravitacional. Se cree que el movimiento en el líquido del núcleo es lo que produce el campo magnético de la Tierra. Como todos los campos magnéticos, el campo magnético de la Tierra tiene dos polos principales, un polo norte y uno sur. Estos polos magnéticos están un poco fuera del eje de la rotación de la Tierra, el cual es utilizado como las bases de los polos geográficos, pero están lo suficientemente cerca como para que las direcciones generales con ajustes para la diferencia polar, llamada declinación, puedan ser utilizadas para la navegación. Esencialmente, una brújula es un imán liviano, generalmente una aguja magnetizada, en un eje central de rotación libre. Esto le permite a la aguja reaccionar de la mejor manera ante los campos magnéticos cercanos. Como los opuestos se atraen, el polo sur de la aguja es atraído por el polo norte de la Tierra. Esta es la manera por la cual los navegadores son capaces de saber cuáles el norte.

Investigar sobre materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos

Materiales Ferromagnéticos: Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de núcleos de los transformadores y máquinas eléctricas. En un transformador se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados, así como para disminuir la corriente de excitación necesaria para la operación del transformador. En las máquinas eléctricas se usan los materiales ferromagnéticos para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer máximas las características de producción de par. Materiales Paramagnéticos: En palabras simples los materiales paramagnéticos son aquellos que son atraídos por los imanes al estar cerca de ellos, pero no se imantan. Los materiales Paramagnéticos son ligeramente más magnéticamente permeables que aire o vacío, tienen una baja (pero

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positiva) susceptibilidad a los campos magnéticos, son levemente atraídos por estos y no retienen sus propiedades magnéticas una vez que se retira el campo externo. Materiales Diamagnéticos: Los materiales denominados diamagnéticos se caracterizan por ser repelidos por los imanes (es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos, que son atraídos por los imanes). El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto en septiembre de 1845 por el físico y químico Michael Faraday cuando observó que un trozo de bismuto era repelido por un imán, cualquiera que fuese el polo. Esa experiencia indicaba que el campo externo generado por el imán inducía en el bismuto un dipolo magnético de sentido puesto. Todos los átomos contienen electrones que se mueven libremente y cuando se aplica un campo magnético exterior se induce una corriente superpuesta cuyo efecto magnético es opuesto al campo aplicado. 2. Materiales y procedimiento

Equipos e instrumental:

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Fuentes de corrientes continua. Bobinas de Helmholtz. Brújula. Limadura de hierro Trozos de distinto material.

Procedimiento experimental

ACTIVIDAD 1 Conecte ambas terminales de un cable a la fuente de corriente, y coloque encima la brújula, de manera que la aguja sea paralela al cable, incremente la corriente, observe y describa la situación. Invierta la dirección de lacorriente que fluye por el cable, observe y describa la situación. ¿Por qué se desvía la aguja?, ¿Por qué la dirección de desviación depende de la manera como se conecte el cable? Repita el mismo procedimiento incluyendo las preguntas, pero ahora procurando que la aguja esté perpendicular al cable.

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ACTIVIDAD 2 Conecte una bobina a la fuente de corriente, e incremente gradualmente la corriente que circula por ella sin pasar de 3 amperios, Ubique la brújula alrededor de la bobina, y en diferentes puntos alejándose de ella. ¿De qué manera se distribuye el campo magnético alrededor de la bobina? Rocíe suavemente limaduras alrededor. Observe y describa la situación. Conecte ahora las dos bobinas en serie las bobinas de Helmholtz, e incremente gradualmente la corriente que circula por ella sin pasar de 3 amperios, ubique la brújula en distintas zonas de la tabla y anote lo observado. ¿Qué diferencia encuentra en la manera que se distribuye la limadura, con respecto a una sola bobina? Invierta la polaridad en una de las bobinas, y repita el procedimiento inmediatamente anterior. ¿Qué observa a medida que va agregando limadura de hierro a la tabla? Realice un bosquejo de lo observado. ¿Era lo que esperaba?, ¿por qué? ¿Oersted tenía razón? ¿Es uniforme el campo magnético en la zona media entre las bobinas? Desplace la brújula a lo largo del eje de las bobinas, ¿qué observa? Desplace la brújula perpendicular al eje de las bobinas, ¿qué observa? Establezca una analogía entre los materiales conductores de la electricidad y los materiales ferromagnéticos. ¿Podría hablarse de materiales conductores de las líneas de flujo magnético? Explique.

3. Datos y cálculos Magnetismo ACTIVIDAD Falta adjuntar fotos de actividad 1 Descripción de situaciones: Se realizó un pequeño montaje, en donde se percibió, que a medida que aumenta la corriente, también se incrementa el campo magnético. Cuando se pone paralelo a la aguja, hace que se direccione hacia algunos de los dos extremos, claro está que en la forma en que fluyan las cargas. ¿Por qué se desvía la aguja? La aguja se desvía, porque cuando se invierte la dirección de la corriente que circula por el cable, también se invierte la dirección del campo magnético; en donde la aguja cambia la dirección o movimiento tras el efecto magnético.

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¿Por qué la dirección de desviación depende de la manera como se conecte el cable? Se sabe que cuando hay una corriente se genera un campo magnético; pero es posible decir también, que puede haber magnetismo sin corriente. La dirección de desviación de la corriente depende de la dirección del flujo de cargas en el cable; esto es debido a que cuando el cable se conecta de la forma que la corriente fluya hacia arriba, pues el campo también se desviará en la misma dirección y si la corriente se desvía hacia abajo, el campo lo hará también; por está razón depende del cable la desviación, porque a partir de ella circulan los electrones que generan corriente al ser impulsados por una fuente. Repita el mismo procedimiento incluyendo las preguntas, pero ahora procurando que la aguja esté perpendicular al cable. En la práctica se conectó el cable a la fuente de corriente, en donde se colocó por encima de la brújula de forma perpendicular a la aguja; se logró percibir que no ocurría nada cuando se incrementó el voltaje, debido a que el campo magnético que se genera por una corriente. ACTIVIDAD 2 ¿De qué manera se distribuye el campo magnético alrededor de la bobina? Rocíe suavemente limaduras alrededor. Observe y describa la situación. Una bobina consiste en un enrollamiento de alambre conductor en forma de hélice. Técnicamente se le llama solenoide. Se usa para crear campos magnéticos cuando circule corriente a través de ella. Entonces es posible decir que la manera como se distribuye el campo magnético es en la misma dirección de la corriente, como se muestra en la figura las líneas del campo se esparcen por todo el conductor. Además todas las espiras del solenoide producen un campo P que tiene la misma dirección y sentido, pero dependiendo de la distancia x al punto P. Invierta la polaridad la bobina, y repita el procedimiento inmediatamente anterior. ¿Qué observa a medida que va agregando limadura de hierro a la tabla? Al agregar la limadura de hierro se va evidenciando más detalladamente cómo se distribuye las líneas del campo alrededor de la bobina.

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Realice un bosquejo de lo observado. ¿Era lo que esperaba?, ¿por qué? ¿Oersted tenía razón? Si era lo que se esperaba, porque según Oersted, hay una brújula y hay una bobina, en donde se aplica corriente con una dirección fija, en el cual se crea un campo magnético que provocará que la brújula gire. ¿Es uniforme el campo magnético en la zona media entre las bobinas? ( Se muestra en la figura las líneas de campo para un solenoide de espiras separadas). Se puede observar que las líneas de campo magnético en el espacio rodeado por las bobina son casi paralelas y distribuidas en forma uniforme y muy cercanas entre sí, esto implica que el campo es esa región es uniforme. En cambio las líneas de campo entre las vueltas tienden a anularse unas con otras, además, se puede observar que en el exterior el campo es débil.

Para hablar de la brújula y su desplazamiento

Desplace la brújula a lo largo del eje de las bobinas, ¿qué observa?. Como se había mencionado al principio, la desplazar la brújula a lo largo del eje de las bobinas, su aguja se moverá dependiendo de la dirección producida de la corriente, que genera un campo magnético.

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Desplace la brújula perpendicular al eje de las bobinas, ¿qué observa?

Cuando la brújula está en dirección perpendicular, no ocurre ningún efecto, debido a que no se genera efectos magnéticos.

¿Qué es y para qué sirve el cinturón de Van Allen?

Los cinturones de Van Allen son dos zonas en forma de dona que se encuentran rodeando la tierra y que están cargados de energía, moviéndose a velocidad casi iguales a la de la velocidad de la luz, estas partículas son principalmente electrones y protones. Al inicio de las investigaciones sobre los cinturones de Van Allen, se pensaba que tenían su origen en la radiación de los cinturones en el espacio, pero en la actualidad se sabe que, su origen puede deberse a los rayos que se producen dentro de las tormentas eléctricas que suceden dentro de la atmósfera de la tierra.

Cinturones Van Allen

Estos sirven porque presentan efectos de la interacción entre el campo magnético terrestre y el entorno espacial. Además con ellos se han realizado investigaciones para la ciencia.

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La relación entre electricidad y magnetismo:

Los dos términos se relacionan porque a partir de una genera la otra; como por ejemplo, al acelerar un imán producirá una corriente eléctrica, si se varía el flujo de electricidad, se originará un campo magnético. En otras palabras, si hay presencia de corriente, quiere decir que se generará un campo magnético.

Establezca una analogía entre los materiales conductores de la electricidad y los materiales ferromagnéticos. ¿Podría hablarse de materiales conductores de las líneas de flujo magnético?

El campo eléctrico es conservativo, pero el magnético no lo es. Los fenómenos magnéticos son estáticos y los eléctricos dinámicos. Pueden aislarse cargas eléctricas positivas, pero nunca aparecen por separado polos norte y sur. Las cargas en reposo solo originan campos eléctricos. Las cargas en movimiento origina campos eléctricos y magnéticos. Los circuitos magnéticos, a diferencia de los eléctricos, suelen ser no lineales (saturación magnética). Ambos campos son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia, pero el campo eléctrico es radial y el magnético es perpendicular. Las líneas de campo eléctrico poseen la dirección de la fuerza eléctrica sobre la carga positiva, mientras que las líneas de campo magnético son perpendiculares a la fuerza magnética sobre una carga móvil. Las líneas de campo eléctrico comienzan en las cargas positivas y terminan en las cargas negativas; las líneas de campo magnético forman circuitos cerrados. Una corriente eléctrica circula enteramente por los conductores, el flujo magnético puede presentar derivaciones en el aire. Existen materiales que por su facilidad de almacenar y conducir electricidad permiten una mayor conducción que otros, por lo que la electricidad puede fluir con mayor facilidad que otros materiales.

Conclusiones

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La práctica realizada en el laboratorio acerca del Magnetismo nos resultó de gran ayuda, ya que pudimos observar varios sucesos importantes, como por ejemplo que si se colocaba un imán debajo de un acetato y se espolvorea limadura de hierro se formaban algunas figuras y esto sucedió por la atracción que hay entre un imán y los metales que en este caso era el hierro Se logró el objetivo que era observar cómo funciona el magnetismo y que tan fácil es representarlo con unos simples materiales no muy difíciles de conseguir.

Bibliografía

http://www.diariodeibiza.es/pitiuses-balears/2017/02/09/cinturones-allen-barreraradiacion-solar/895360.html ● Hewitt P. Fundamentos de Física Conceptual. Editorial Pearson-Addison Wesley (2009). ● Sears F., Zemansky M., Young H. y Freedman R. Física Universitaria con Física ● Moderna.Volumen I. Editorial Pearson-Addison Wesley (2005). ● Diamagnetismo y paramagnetismo. ● http://www4.tecnun.es/asignaturas/PFM_Mat/Prog/Dia_Para.pdf. [Consulta: 21 noviembre 2016]. ● Stephen Chapman, máquinas eléctricas (2° edición) 1993 http://patricioconcha.ubb.cl/transformadores/materiales_ferromagneticos.htm. [Consulta: 21 noviembre 2016].

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