Magnetismo

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Prof. Pedro Eche Querevalú CTA 5to de Secundaria 2010

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Presentación El imán, a manera de magnetita, fue utilizado en instrumentos básicos como, por ejemplo, una especie de brújula que fue ya utilizada en el siglo X por navegantes chinos; ellos descubrieron el poder de la magnetita y su propiedad de señalar siempre en una misma dirección por más que gire. Fueron los árabes quienes más tarde le dieron aplicación más exacta como instrumento de orientación por medio de la brújula. Sin embargo, fue hacia el siglo XVI donde se inicia un verdadero estudio del fenómeno magnetismo y las aplicaciones que un imán pueda tener.

El estudio de sus propiedades de la magnetita tomó el nombre de MAGNETISMO, nombre que proviene de la antigua ciudad: Magnesia (Asia Menor) en donde abundaban estas piedras.

Fue así que durante muchos años, el estudio de los fenómenos magnéticos se limitó al análisis de las interacciones entre el imán y los metales (MAGNETOSTÁTICA).

Tren que funciona enrieles imantadas

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Contenido Temático MAGNETISMO LOS IMANES PROPIEDADES DE LOS IMANES FUERZA DE ATRACCIÓN Y REPULSIÓN ENTRE IMANES

EL CAMPO MAGNÉTICO EL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UNA PARTÍCULA CARGADA EN MOVIMIENTO FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UN CONDUCTOR CON CORRIENTE ELÉCTRICA

PROBLEMA

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MAGNETISMO Tiene como objetivo principal el estudio de las propiedades de los imanes y sus interacciones mutuas.

Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imĂĄn que tiene la propiedad de atraer pedacitos o limaduras de hierro, el cobalto, el nĂ­quel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo.

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LOS IMANES Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales.

Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.

En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra. La Tierra es un gigantesco imán natural.

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LOS IMANES: Clases

Imanes Naturales

Imanes Artificiales

•Son aquellos que “cuando debido al ordenamiento molecular, gozan de propiedades magnéticas”.

•Los imanes naturales son minerales formados por óxido de hierro como la magnetita, que presenta propiedades magnéticas por su naturaleza sin la intervención de la mano del hombre.

•Cuando es necesario alguna causa externa para que un cuerpo se vea obligado a adquirir propiedades magnéticas.

•Son aleaciones fabricadas a partir del hierro, níquel o cobalto, que han pasado por un proceso de imantación. En este proceso se magnetiza o se imanta una aleación que carece de dicha propiedad.

La imantación puede ser temporal o permanente y se realiza por frotamiento, por contacto o por inducción de una corriente eléctrica.

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PROPIEDADES DE LOS IMANES Además de atraer al hierro, níquel y cobalto, los imanes naturales y artificiales presentan las siguientes propiedades:

Orientación

Todo imán en forma de barra suspendido o sujeto desde su centro de gravedad y libre para girar, se orienta de tal manera que uno de sus extremos -siempre el mismoapunta hacia el norte geográfico y su extremo opuesto hacia el sur geográfico. Esta propiedad es el fundamento de la brújula (aguja imantada).

Desmagnetiza ción

Todos los imanes pierden sus propiedades magnéticas a determinada temperatura (cuando se les calienta), llamada temperatura de Curie. Es fácil separar dos imanes que están fuertemente atraídos si los calientas.

Polos magnéticos

La máxima fuerza de atracción se halla en sus extremos, llamados polos. Un imán consta de dos polos, denominados polo norte y polo sur, o, alternativamente, polo positivo y polo negativo. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen. No existen polos aislados (monopolo magnético), y por lo tanto, si un imán se rompe en dos partes, se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, aunque la fuerza de atracción del imán disminuye.

Dependiendo de la forma del imán es posible que tenga más de dos polos magnéticos; cuatro, seis, pero nunca un número de polos impar. No es posible obtener un único polo; tal propiedad es conocida como la inseparabilidad de los polos.

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FUERZAS DE ATRACCIÓN Y REPULSIÓN ENTRE LOS IMANES Experimentalmente puedes verificar que dos imanes se repelen o se atraen dependiendo de qué polos interactúen. Si acercas dos polos magnéticos iguales, sur-sur o norte-norte observarás que los imanes se repelen, pero si acercas dos polos diferentes, sur-norte, los imanes se atraen.

Se concluye: Dos polos magnéticos iguales se repelen y dos polos magnéticos diferentes se atraen.

La fuerza de atracción o repulsión que se ejercen los imanes es una fuerza a distancia. Así como existe un campo eléctrico generado por las cargas eléctricas también existe un campo magnético generado por imanes y corrientes eléctricas.

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EL CAMPO MAGNÉTICO Los imanes poseen un campo magnético que ejerce fuerzas a distancia.

Se dice que en una región del espacio existe un campo magnético si un imán o una brújula sienten la acción de una fuerza magnética de atracción o repulsión.

El campo magnético es invisible y para representarlo usamos las líneas de fuerza magnéticas, muy similares a las que hemos visto en electrostática, pero con características propias del magnetismo.

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LAS LÍNEAS DE CAMPO MAGNÉTICO Si sobre un imán en forma de barra esparcimos limaduras de hierro, observaremos que las limaduras se mueven y se orientan formando determinadas trayectorias.

Las interacciones magnéticas se pueden explicar como el resultado de la presencia de un campo de naturaleza vectorial, llamado campo magnético, comparable al eléctrico o al gravitatorio.

El campo magnético se expresa visualmente mediante líneas de fuerza que, en los imanes, parten del polo norte y desembocan en el polo sur. Por tanto, las líneas de un campo magnético son siempre cerradas, dado que todo imán se comporta como un dipolo magnético.

Las líneas de fuerza magnética representan el campo que no vemos pero sentimos y se orientan del norte al sur del imán.

B2

B1

2

B3

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EL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE Como todos sabemos, la Tierra constituye un gigantesco imán natural; por tanto, la magnetita o cualquier otro tipo de imán o elemento magnético que gire libremente sobre un plano paralelo a su superficie, tal como lo hace una brújula, apuntará siempre al polo norte magnético. Como aclaración hay que diferenciar el polo norte magnético de la Tierra del Polo Norte geográfico. El Polo Norte geográfico es el punto donde coinciden todos los meridianos que dividen la Tierra, al igual que ocurre con el Polo Sur. La Tierra tiene en su núcleo una gran cantidad de hierro fundido y a medida que gira sobre su propio eje también lo hace el hierro, dando lugar a que la Tierra se comporte como un gran imán.

Algunos animales son capaces de orientarse usando el campo magnético terrestre, como por ejemplo las palomas mensajeras y las ballenas.

El campo magnético terrestre nos protege de partículas cargadas que provienen del espacio y que podrían causarnos daño si lograran ingresar a la superficie terrestre.

La Tierra constituye un. gigantesco imán con sus. correspondientes polos.

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FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UNA PARTÍCULA CARGADA EN MOVIMIENTO “Toda partícula cargada eléctricamente en movimiento que ingresa perpendicularmente a un campo magnético experimenta la acción de una fuerza que la desvía, de tal manera que la dirección de la fuerza es siempre perpendicular al campo y a la velocidad”.

Experimentalmente se verificó que la fuerza magnética F sobre una carga que ingresa perpendicularmente a un campo magnético , es directamente proporcional a la carga eléctrica q, a la rapidez v y a la intensidad del vector inducción magnética B. F

F = q . V. B

B = F /q.v

UNIDADES EN EL S.I.

q

N Am (ampere.me tro)

v

B

m 1 NA -1m -1 /s

A partir de la relación anterior medimos la inducción magnética (B). En el S.I. la inducción magnética se mide en Tesla (T)

1T = 1 N. s/(C. m) La dirección de la fuerza sobre la sobre la partícula cargada depende del signo de la carga y siempre es perpendicular tanto al campo como a la velocidad.

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REGLA DE LA MANO DERECHA Esta regla es útil para determinar la dirección de la fuerza que actúa sobre una carga positiva en movimiento.

Extiende la mano derecha de tal manera que el pulgar indique la dirección de la velocidad del campo: la fuerza magnética será perpendicular a la palma de la mano y saliendo de esta. Si la carga eléctrica en movimiento es negativa, el sentido de la fuerza será entrando a la palma.

Observación: Si la velocidad es paralela al campo magnético, la fuerza magnética es nula y la partícula no será desviada de su trayectoria.

a

b

a)Fuerza magnética que actúa sobre una carga en movimiento b) Regla de la palma derecha

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TRAYECTORIA DE UNA PARTÍCULA CARGADA EN EL SENO DE UN CAMPO MAGNÉTICO Si la partícula cargada eléctricamente ingresa a un campo magnético en forma perpendicular se desvía realizando un movimiento circular uniforme. Para determinar el radio de la trayectoria circular igualamos la fuerza magnética con la fuerza centrípeta y despejamos R:

Fmagnética= Fcentrípeta q . V. B = m . v2/R

R = m. v /q.B

Si la partícula cargada ingresa a un campo magnético con una velocidad que forma un determino ángulo con este, la trayectoria que describe es una curva helicoidal.

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FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UN CONDUCTOR CON CORRIENTE ELÉCTRICA Como sabemos, la corriente eléctrica es el movimiento de cargas eléctricas positivas (por convección). Esto nos permite inferir que todo conductor con corriente ubicado perpendicularmente a un campo magnético debe experimentar una fuerza magnética.

Deduciremos la fórmula para calcular la fuerza magnética F sobre un segmento conductor de longitud L por el cual circula una corriente de intensidad I, perpendicular a un campo magnético B.

F = q . V. B F = (q/t) L . B

F = q . (L/t) B F = I. L. B

Para determinar la dirección y sentido de la fuerza magnética usamos la regla de la palma derecha, tomando en cuenta que el sentido de la corriente está dado por el pulgar.

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EL MOTOR ELÉCTRICO DE CORRIENTE CONTINUA Una aplicación de la fuerza magnética sobre un conductor con corriente es el motor de corriente continua. Este está formado por un conjunto de espiras dentro de un campo magnético generado por dos imanes. Cuando se hace pasar corriente por las espiras aparecen fuerzas magnéticas que la hacen girar.

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PROBLEMA 1 Una partícula alfa de carga q = 3,6 . 10-19 C y masa m= 3,3 . 10-27 kg, ingresa perpendicularmente entre las armaduras de un imán en forma de herradura con una rapidez de 7,2 . 106 m/s. Si el radio del arco circular que describe es de 2m, ¿cuál es la intensidad del vector inducción magnético entre las armaduras del imán?

Solución: Datos: q = 3,6 . 10-19 m= 3,3 . 10-27 kg v = 7,2 . 106 m/s.

R = 2m B= ?

1.- Calculamos la intensidad del campo

R = m.v /q. B

B = m.v / q. R

3,3.10 kg7,2.10 m / s   0,033T B 3,6.10 C 2m 27

6

Rpta.- La inducción magnética es de 0,033T

19

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Recursos Haz clic en “Actividades interactivas” para ingresar para desarrollar las actividades educativas lúdicas

Actividades interactivas

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Créditos Electromagnetismo http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema9/index9.htm Imanes naturales http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/campmag/mag_iman.htm?0&0 Fuerzas de atracción y repulsión entre imanes http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_1.htm Campo magnético terrestre - imagen http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_1.htm Campo magnético http://www.hiru.com/fisica/fuerzas-magneticas Campo magnético http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/campmag/mag_objetivos.htm

Imagen campo magnético http://4.bp.blogspot.com/_HEo-zuCrCEE/Sbmxcflf0UI/AAAAAAAAABo/_HrY8pe2Vsc/s320/CampoMagnetico.png http://museovirtual.csic.es/salas/magnetismo/mag7.htm Imagen brújula http://www.kalipedia.com/kalipediamedia/cienciasnaturales/media/200709/24/fisicayquimica/20070924klpcnafyq_396_Ies _SCO.jpg Video campo magnético http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?GUID=0137714b-4bfd-40d5-8d772d778c289e36&ID=136609