Magnetismo ESO

7/26/2019 Magnetismo ESO

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ALUMNO:

AUTOR:

Prof. Lic. CLAUDIO NASO


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Fsico-qumica 2 ES Magnetismo

Prof. Lic. Claudio Naso 106

5- Magnetismo

5.1- Conceptos bsicos

5.1.1-Imanes Naturales:

Seguramente, desde que se conoce el hierro, se conocen los fenmenos magnticos,

que justamente deben su nombre a una piedra que se encuentra en todas las minas de hierro a la

que se le de el nombre de magnetita.

La magnetita, que debe su nombre de la ciudad griega de Magnesia, es un xido de

hierro Fe3O4que abunda en la naturaleza y que tiene la propiedad de atraer a otros cuerpos de

hierro, acero o nquel.

Si se toma, por ejemplo, una aguja de acero y se la frota cclicamente, es decir,

siempre en el mismo sentido, con un trozo de magnetita, la aguja se magnetiza, es decir, se

convierte en un imn natural.

5.1.1.2- Polos de un imn

Podemos montar esta aguja sobre un eje que le permita girar libremente como

muestra la figura y de este modo podremos comenzar a estudiar sus propiedades.

En estas condiciones podemos observar que aunque movamos la base en cualquier

direccin, la aguja siempre se ubica con uno de sus extremos apuntando al norte geogrfico. Poresta razn, a dicho extremo se lo denomin polo norte del imn, y al extremo opuesto, polo sur del

imn.


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5.1.1.3- Interacciones magnticas:

Si acercamos dos imanes, puede observarse que los polos norte se repelen entre s, al

igual que los polos sur, Mientras que los polos norte y sur se atraen entre s.

5.1.1.4- Primer principio del magnetismo:

Polos de igual nombre se repelen y polos de distinto nombre se atraen.

5.1.1.5- Segundo principio del magnetismo:

Es imposible aislar un polo de un imn, es decir, un imn siempre tiene dos polos.

Eso se verifica experimentalmente partiendo un imn en dos pedazos, cada uno tiene un polo

norte y un polo sur.

Si esto se repite una y otra vez, cada pequea parte tendr un polo norte y un polo sur.

5.1.1.6- Induccin magntica:

Si acercamos un imn a la cabeza de un clavo sin llegar a tocarlo, y acercamos con

la punta a otro clavo, veremos que los clavos se pegan, lo que indica que el primer clavo se

comporta como in imn. Este fenmeno se denomina induccin magntica. El primer imn se

denomina inductor, y el clavo se denomina imn inducido.


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5.1.1.7- Los imanes y la temperatura:

Experimentalmente se puede verificar que al calentar un imn hasta una temperatura

suficientemente alta, sus propiedades magnticas desaparecen.

5.1.1.8- Los imanes y las sustancias:

Es importante que tengamos claro que las nicas sustancias que experimentan fuerzas

magnticas son el hierro (Fe) y sus aleaciones como el acero, el nquel (Ni), el cobalto (Cb), el

Gadolinio (Gd) y algunas pocas sustancias compuestas. A todas ellas se las denomina sustancias

ferromagnticas.

5.1.1.9- Saturacin magntica:

Como dijimos, al frotar en forma cclica un cuerpo de hierro o acero, se magnetiza,

Esta magnetizacin aumenta a medida que se repite la operacin hasta llegar a un mximo a

mrtir del cual las propiedades magnticas ya no aumentan aunque se contine frotando.

Entonces se ha alcanzado la saturacin magntica.

5.1.2-Hiptesis de Weber:

En el ao 1843 el profesor de Fsica alemn Wilhelm Eduard Weber propone una

explicacin para todos estos fenmenos, que se conoce con el nombre de hiptesis de weber:

Cada molcula se comporta como un pequeo imn (dipolo magntico). En la

mayora de las sustancias, estos dipolos se encuentran desordenados de modo que sus efectos seanulan entre s

En los materiales ferromagnticos, estos dipolos pueden ordenarse de manera que se

orienten en el mismo sentido. Es as que sus efectos se suman y estos cuerpos se convierten en un

imn.

Los dipolos magnticos se encuentran agrupados en regiones llamadas dominios

magnticos.

Sustancia sin magnetizar Sustancia parcialmente magnetizada Saturacin magntica


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5.2-El Campo Magntico

5.2.1-Lneas de fuerza magnticas:

Si colocamos un cartn sobre un imn y espolvoreamos sobre l limadura de hierro,observaremos que estas se disponen como muestra la imagen:

Claramente podemos ver que se forman lneas de fuerza magntica que van desde el

polo norte al polo sur del imn. Estas lneas nos muestran la forma del campo magntico que

rodea al imn.

5.2.2-Campo Magntico:

Como decamos en el punto anterior, las lneas de fuerza representan la forma del

campo magntico que rodea a un imn, pero Qu es el campo magntico?

As como dijimos que en una regin del espacio donde se manifiestan fuerzas de

carcter elctrico, hay un campo elctrico, si en una regin del espacio se manifiestan fuerzas de

origen magntico, hay un campo magntico.

El campo magntico se dirige desde el polo norte hacia el polo sur por fuera del imn

y se cierran de sur a norte por dentro del imn.


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5.2.3-Magnetismo terrestre:

Por todo lo visto hasta ahora, no caben dudas que la tierra se comporta como un gran

imn, por esta razn, la aguja magntica se orienta en direccin a los polos. Sin embargo

debemos comprender que por la definicin dada para los polos del imn, en el norte geogrfico

de la tierra se debe ubicar al polo sur magntico (por esta razn atrae al polo norte de la aguja), y

en el sur geogrfico se ubicar el polo sur magntico de la tierra.

En la siguiente figura se puede ver la forma del campo magntico producido por la

tierra, similar al de un imn con forma de barra. Dicho campo magntico orienta a la aguja

magntica y por tal razn puede utilizarse para la orientacin en la navegacin. El instrumento

construido con una aguja magntica sobre un cuadrante que contiene los puntos cardinales se

denomina brjula o comps.

El campo magntico de la tierra nos protege de las partculas de alta energa que nos

bombardean desde el espacio haciendo que se desven y no lleguen a la superficie de la tierra.

La vida es posible, entre otras cosas, gracias a esto.

5.2.4-

Campo magntico producido por una corriente elctrica:En el ao 1820, el profesor de fsica Hans Oersted estaba dando una clase sobre los

efectos que produca una corriente elctrica en la universidad de Copenhague. Explicaba a sus

alumnos que el nico efecto que produca la corriente elctrica era transformar la energa

elctrica en calor. Casualmente haba una brjula sobre la mesa y el profesor not que al cerrar el

interruptor, la aguja de la brjula dejaba de apuntar al norte y se ubicaba perpendicularmente al

alambre conductor por donde circulaba la corriente elctrica.


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Cuando el fsico francs Andr Marie Ampere se entera del descubrimiento, desarrolla

una investigacin que le permite descubrir una ley fundamental de la naturaleza donde proponeformalmente que las corrientes elctricas generan un campo magntico en el entorno del

conductor por donde circulan.

La forma de este campo magntico puede observarse colocando un cartn

atravesado por un alambre por el que circula corriente y espolvoreando limadura del hierro sobre

l.

El campo forma lneas concntricas con el conductor, rotando alrededor de l.

5.2.5-Definicin del vector campo magntico:

Coloquemos dos imanes enfrentados por sus polos opuestos de modo que formen un

campo magntico entre ellos y hagamos que un alambre conductor recto atraviese dicho

campo como muestra la figura:


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Si hacemos circular una corriente elctrica por el alambre se observa que una fuerza

empuja al alambre hacia adelante haciendo que el conductor se desplace tratando de salir del

campo.

Si se invierte el sentido de circulacin de la corriente, se observa que la fuerza se dirige

en sentido contrario.

Lo mismo sucede si se permutan los imanes.

Experimentalmente se observa que la fuerza que acta sobre el conductor es

directamente proporcional a la intensidad de corriente que por l circula y a la longitud de

conductor sumergido en el campo.

Este hecho nos permite definir una magnitud que denominaremos campo magntico

B

como una magnitud cuyo mdulo es el cociente entre el mdulo de la fuerza F que recibe un

segmento de conductor sumergido perpendicularmente en dicho campo, la intensidad I de

corriente que por l circula y la longitud lde conductor sumergido en l.

FB

I

l


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La direccin de B

es perpendicular a ly a F y su sentido se determina con la regla de

la mano derecha:

Se coloca la mano derecha abierta de manera que el dedo ndice apunte en el

sentido de circulacin de la corriente de electrones, con el pulgar extendido en el sentido de lafuerza. En estas condiciones el vector campo magntico nos pincha la mano.

5.2.5.1- Unidades:

El campo magntico se mide en una unidad denominada Tesla (T)

NT

A m

Un campo Magntico mide 1 Tesla cuando por un conductor de 1 m de longitud

sumergido en l, por el que circula una intensidad de corriente de 1 Ampere recibe una fuerza de

1 Newton.

5.2.5.2- Ejemplo:

Un conductor de 80 cm se encuentra sumergido perpendicularmente en un campo

magntico de 0,4 T como indica la figura, si por l circula una intensidad de 25 A, calcular el

mdulo de la fuerza que acta sobre el conductor indicando su direccin y sentido.

Solucin:

Datos:

B=0,4T l= 80 cm = 0,8 m I= 25 A

Aplicamos la definicin y despejamos F

FB

I

l

0 4 25 0 8 0 4 25 0 8 8N

F B I T A m A m NA m

, , , ,l

El mdulo de la fuerza es 8 N y aplicando la regla de la mano derecha podemos

determinar que la fuerza sale del papel.


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5.2.6-Fuentes de campo magntico:

Como vimos un conductor rectilneo genera a su alrededor un campo magntico. El

Valor de dicho campo en un punto del espacio es directamente proporcional a la intensidad de

corriente que circula por el conductor e inversamente proporcional a la distancia que separa, al

punto del conductor:

2

IB

d

Donde I es la intensidad de corriente que circula por el conductor, d es la distancia

desde el punto donde se calcula el campo hasta el conductor y es la constante de

proporcionalidad que depende de la sustancia que rodea al conductor. Se denominapermeabilidad magntica de la sustancia.

Si se trata de vaco se denomina permeabilidad magntica del vaco y su valor es:

0=4..10-7N/A2

Diferentes sustancias tienen diferente permeabilidad magntica, esto depende de

que favorezca o no la formacin de un campo magntico en su interior. Hay sustancias que,

respecto del vaco, lo hacen disminuir un poco, otros que lo hacen aumentar levemente y algunas

que lo hacen aumentar mucho.

5-2.6.1- Materiales diamagnticos:

Su permeabilidad es levemente menor a la del vaco < 0. En estos materiales, los

dipolos que forman sus molculas tienden a orientarse en el sentido contrario al del campo

magntico externo y por ello, ste disminuye en su interior, por ejemplo: el bismuto metlico, el

hidrgeno, el helio y los dems gases nobles, el cloruro de sodio, el cobre, el oro, el silicio, el

germanio, el grafito, el bronce y el azufre

5.2.6.2- Materiales paramagnticos:

Su permeabilidad es levemente mayor a la del vaco > 0. En estos materiales,

algunos pocos dipolos que forman sus molculas tienden a orientarse en el mismo sentido al del


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campo magntico externo y por ello, ste aumenta un poco en su interior, por ejemplo: aire,

aluminio, magnesio, titanio y wolframio.

5.2.6.3- Materiales ferromagnticos:

Su permeabilidad es enormemente mayor a la del vaco >>> 0. En estos materiales,

todos los dipolos que forman sus molculas tienden a orientarse en el mismo sentido al del campo

magntico externo y por ello, ste aumenta notablemente en su interior, ya los conocemos, ellos

son: el hierro, el nquel, el cobalto, el acero, el gadolinio, etc.

5.2.7-El Electroimn (Solenoide):

Si se enrolla un alambre de cobre aislado en un ncleo de material ferromagntico,

por ejemplo un clavo de acero (a este dispositivo se lo denomina bobina) y se conectan las

puntas del conductor a una fem, se observa que el ncleo de hiero se convierte en un potente

imn. Esta magnetizacin perdura mientras se mantenga la corriente circulando y desaparece

cuando deja de circular.

Esto es un electroimn y tiene infinidad de aplicaciones prcticas, con electroimanes

funcionan timbres, motores elctricos, generadores de energa elctrica, etc.

El valor del campo magntico producido por un electroimn es directamente

proporcional a la intensidad de corriente que por l circula y al nmero de vueltas N de alambre e

inversamente proporcional a la longitud d. Puede calcularse con la siguiente ecuacin:

I NB

d


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5.2.7.1- El Timbre:

Cuando se cierra el interruptor A, comienza a circular corriente por la bobina.Obsrvese que el circuito se cierra a travs del fleje de acero que se encuentra en contacto con

el tope C que se encuentra conectado a un extremo de la bobina D.

El electroimn atrae al fleje de acero haciendo que el martillo E golpee en la

campanilla F. Al pegarse al electroimn, el fleje B se separa del tope C y por lo tanto el circuito se

abre, de modo que la corriente deja de circular y el electroimn se desactiva permitiendo que la

fuerza elstica restituya al fleje a su posicin original. En esta situacin vuelve a cerrarse el circuito

y nuevamente se activa el electroimn. Esto hace que el sistema suba y baje una y otra vez y el

timbre suene.5.2.7.2- Motor elctrico:

Un motor elctrico elemental esta compuesto por una bobina llamada rotor, que se

encuentra solidaria con un eje que le permite girar libremente. El rotor se encuentra ubicado entre

dos imanes (estator) que generan un campo magntico en el espacio donde el rotor est

sumergido.

Arranque El motor ha girado de vuelta y

contina

El motor ha girado vuelta y

se invierte el sentido de la

corriente.


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Si se hace circular en el sentido apropiado, una corriente por el rotor, se forma un polo norte en el

extremo que se enfrenta con el norte del estator, y un polo sur que se enfrenta con el sur del

estator provocando que se repelan y que, por lo tanto, comience a girar hasta que queden

enfrentados norte y sur respectivamente. En esta situacin el movimiento cesara y el rotor

quedara en equilibrio.

Pero si justo en este instante se invirtiera el sentido de circulacin de la corriente, los polos del rotor

se permutaran y nuevamente se repeleran con los del estator, y continuara girando media vuelta

ms. Para mantener el rotor girando, habra que invertir el sentido de circulacin de la corriente

cada media vuelta.

Esto se puede lograr automticamente con un dispositivo llamado conmutador, que consiste en

un cilindro dielctrico que se encuentra solidario con el eje y tiene dos semi anillos conductores

pegados en la superficie cilndrica. stos deslizan sobre dos escobillas conductoras que se

encuentran conectadas a la fuente de energa. Al girar el rotor, el eje tambin arrastra al

conmutador de modo que al rotar media vuelta el semi anillo que haca contacto con el positivo

de la fuente comienza a hacer contacto con el positivo y el que haca contacto con el negativo

ahora se conecta al positivo.

De este modo, el rotor continuar girando permanentemente transformando la energa elctrica

en energa mecnica.


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5.3-Preguntas y problemas

5.3.1- Qu es la magnetita?

5.3.2- Los imanes atraen objetos constituidos por cualquier material? Expliquen

5.3.3- Cmo se llaman los polos de un imn?por qu?5.3.4 Qu cosas pueden suceder cuando se acerca un imn a otro? (principio de interaccin)

5.3.5- Indiquen algunas diferencias que puedan explicar entre el fenmeno de atraccin y

repulsin entre dos cuerpos cargados elctricamente y entre dos imanes.

5.3.6- Cmo se puede imantar un objeto de hierro?

5.3.7- Si se magnetiza una aguja y se la deja girar libremente sobre un eje que pase por su centro

qu sucede?

5.3.8- En qu consiste el fenmeno de induccin magntica?

5.3.9 - Qu dice la hiptesis de Weber y que experimentos lo justifican?5.3.10- Qu es un campo magntico?

5.3.11- Qu son las lneas de induccin magntica?

5.3.12- Si por un conductor recto circula una corriente elctrica Qu otros efectos aparte de la

generacin de calor pueden observarse?

5.3.13- Qu efecto se observa en un conductor sumergido entre imanes por el que circula una

corriente?

5.3.14- En qu consiste la regla de la mano derecha?

5.3.15 - Cmo se define el vector campo magntico? En qu unidades se mide?5.3.16 - Calcular la intensidad y sentido de la corriente que circula por un conductor que atraviesa

perpendicularmente las lneas de induccin de un campo magntico de 0,8 T si la longitud de

conductor sumergido es de 40 cm. y la fuerza que el campo aplica sobre el conductor es de 0,6 N

como indica la figura.

5.3.17 - Una bobina cuadrada de 8 cm. de lado y 100 vueltas se encuentra parcialmente

sumergida en una campo magntico de 0,4 T y suspendida de un resorte de constante k = 200

N/m como indica la figura. Si su resistencia es de 8y se la conecta a una fem de 24 V. Calcular

cunto se estira el resorte.


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5.3.18- Cmo se calcula el campo magntico producido por un conductor rectilneo?

5.3.19- Qu efecto produce un ncleo de hierro en el interior de una bobina?

5.3.20- Una bobina solenoide mide 30 cm. de largo y tiene 1500 vueltas. Si en su interior hay vaco

Qu corriente deber circular por ella para producir en su interior un campo de 0,2 T?

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5.4- Trabajo prctico 9: Electromagnetismo.

5.4.1- Objetivos:

1- Construir un electroimn2- Determinar si en un electroimn tambin se forman polos magnticos.3-

Observar qu sucede al invertir la conexin con la pila.4- Especular sobre algunas aplicaciones de este fenmeno.

5.4.2- Materiales:

Clavo, alambre de cobre esmaltado, un imn, cinta de papel, una batera de 9 volt,

Un pedacito de papel de lija.

5.4.3- Desarrollo:

Construccin del electroimn:

a- Tomen el clavo y 3 m de alambre de cobre esmaltado. Enrollen el alambre en el clavocuidando de dejar 20 cm de alambre libre en cada extremo.

b-

Aseguren el alambre al clavo pegndolo con un trozo de cinta de papel.

c- Quemen el esmalte de las dos puntas del alambre con un fsforo y quiten el esmalte

quemado raspndolo con el pedacito de papel de lija.

Observacin del funcionamiento:

d- Coloquen la batera de 9 volt sobre la parte central de la meza del laboratorio y sostenganel electroimn por las dos puntitas del cable de manera que quede colgando cerca de lachapa de los tableros que se encuentran en el centro de las mesas.

e- Conecten las puntas del alambre a la batera y describan lo que observan:


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Polos del electroimn:

f-

Peguen el imn en la chapa del tablero de manera que quede a la misma altura que elelectroimn.

g- Sin conectar el electroimn, peguen la cabeza del clavo en el imnh- Conecten las puntas del alambre a la batera y observan lo que sucede. Luego inviertan la

conexin, es decir, la punta que estaba conectada al positivo de la batera, conctenlo alnegativo y viceversa.

i- Escriban detalladamente lo que sucede en cada caso.


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j- Cmo pueden explicar lo observado?

Electricidad y movimiento

Los experimentos realizados nos permiten concluir que la energa elctrica puede

transformarse en energa cintica. Es decir, con electricidad se puede producir movimiento.

Discutan en su equipo:

k- Qu dispositivos de la vida cotidiana transforman energa elctrica en movimiento?


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Prof Lic Claudio Naso 123

Respuestas:

5.3.16- 1,875 A

5.3.17- 4,8 cm

5.3.20- 31,85 A

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