Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física
Campo Magnético de un Imán Permanente O!etivo •
Estudiar cómo cambia la intensidad del campo magnético producido por un imán permanente en función de la distancia.
Fundamentación
Tenemos noticias de observaciones de fenómenos magnéticos por parte de los griegos desde hace ya cerca de 2500 años cierto mineral !conocido ahora com como magnetita" magnetita" ten#a ten#a la propie propiedad dad de atraer atraer pie$as de hierro hierro%% y e&ist e&isten en referencias escritas del uso de imanes en la navegación 'ue datan del siglo ()). *ntes de 'ue se comprendiera la relación entre las interacciones magnéticas y las las carg cargas as en movi movimi mien ento to !lo !lo 'ue 'ue será será ob+e ob+eto to de estu estudi dio o en prác prácti tica cas s posteriores"% las interacciones de los imanes permanentes entre s# y con otros ob+etos ob+etos se describ#an describ#an en términos de polos magnéticos. magnéticos. ,or analog#a con las interacciones eléctricas% describimos las interacciones a-rmando 'ue un imán permanente origina un campo magnético en el espacio 'ue lo rodea% y los otros cuerpos responden a ese campo. na agu+a de br/+ula tiende a alinearse con el campo magnético en la posición de la agu+a. as aplica aplicacio ciones nes de los imanes imanes permane permanente ntes s pueden pueden dividi dividirse rse%% en forma forma general% en cuatro categor#as Categoría
Aplicación
1
Uso de fuerzas de atracción/repulsión: Separadores magnéticos
2
Conversión de energía mecánica en eléctrica: Magnetos generadores ! alternadores
"
Conversión de energía eléctrica en mecánica: Motores parlantes actuadotes
#
Control forma ! dirección de $aces de electrones o de iones: %u&os de ra!os catódicos enfocados por imanes magnetrones &om&as iónicas
'rnold Magnetic %ec$nologies %ec$nologies Magnetics %ec$nolog! %ec$nolog! Center ( )ermanent Magnets 'pplications *uide $ttp://+++,arnoldmagnet $ttp://+++ ,arnoldmagnetics,com/mtc/ ics,com/mtc/magnets-permanent magnets-permanent-apps,$tm -apps,$tm
1epend 1ependien iendo do de la aplicac aplicación ión%% cierto ciertos s materi materiale ales% s% propor proporcio ciones nes y formas formas pueden pueden ser más e-cientes e-cientes 'ue otras. otras. El desarrollo desarrollo de nuevos tipos de imanes permanentes es% gracias a recientes descubrimientos% una de las áreas más apasionantes de la ciencia e ingenier#a de materiales. En esta esta práct práctica ica usar usará á el sens sensor or de campo campo magn magnét étic ico o para para apre apreci ciar ar la variación del campo magnético como función de la distancia a un imán permanente.
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Prein"orme ,ara la reali$ación de esta práctica es imprescindible 'ue tenga un conocimiento básico sobre algunos aspectos. El instructor evaluará este conocimiento solicitando un preinforme !individual o grupal" o a través de una prueba corta antes de iniciar la sesión de laboratorio.
3.
1ibu+e y e&pli'ue las diferentes interacciones 'ue ocurren entre dos imanes permanentes 'ue están pró&imos el uno al otro. 3
2.
4eleccione un tipo de material con el 'ue se pueden fabricar imanes permanentes e indi'ue sus principales caracter#sticas y aplicaciones. 2
.
El concepto de polos magnéticos parece similar al de carga eléctrica !con el 'ue d. ya se encuentra familiari$ado". 6Esta analog#a puede desarrollarse en forma completa% o e&isten diferencias entre ambos conceptos7
8.
6E&isten los monopolos magnéticos7 69uáles han sido los resultados de detectarlos7 6:ué consecuencias traer#a su detección para la ;#sica% la e&plicación del origen del niverso y para su vida7
#$uipo %e$uerido •
)nterfa$ ScienceWorkshop
•
4ensor magnético
de
campo
•
4oporte universal y nue$
•
2 )manes permanentes
•
Escuadra
•
,asta limpiatipos
•
9alibrador
•
•
de
altura
Procedimiento Parte I& Con"iguración de la inter"a' ( el sensor
3. 9onecte la interfa$ ScienceWorkshop al computador y enciéndala.
9onsultar por e+emplo el volumen 2 del libro ;#sica niversitaria de 4 E*=4% >E?*@4AB % B C@D y ;=EE1?*@ o el de la ;#sica de ,. *. T ),E= !referencias completas al -nal de la gu#a". 2 <ásese principalmente !pero no e&clusivamente" en la referencia de * =@C1 ? *D@ET)9 TE9@CCD)E4 . 3 En la Bibliografía al -nal de la gu#a se da una lista de referencias /tiles para responder este punto. 1
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2. 9onecte el sensor de campo magnético en uno de los canales analógicos de la interfa$. . El sensor de campo magnético tiene ganancias de 1% 1 y 1. ,ara la intensidad del campo a medir% será adecuada una ganancia de 1. 8. E+ecute el programa DataStudio. 5. )nstale el sensor de campo magnético% seleccionando en el programa la ganancia de 1. F. 1e-na la medida de intensidad de campo magnético% veri-cando las unidades 'ue empleará para esta variable. G. a toma de datos comprenderá la introducción manual de medidas de distancia entre el sensor y el imán. ,ara registrarlas% haga clic en el botón Opciones de muestreo. 4eleccione la opción Conservar datos sólo si se solicita y habilite las demás opciones disponibles ! Escribir valor con el tecladoH y Solicitar un valor ". Ier ;igura 3.
igura 1
Escriba un ombre para la variable y de-na las unidades con las 'ue reportará la distancia. J. 9ree un grá-co !ntensidad de campo magnético vs. distancia. Parte II& Con"iguración del e$uipo
3. ?ida las principales dimensiones del imán !altura y diámetro% si se trata de un cilindro% o altura% ancho y espesor% si es rectangular". 2. )denti-'ue los polos @orte y 4ur del imán permanente con ayuda de la br/+ula. . ?onte el imán permanente y el sensor de campo magnético como indica la ;igura 2a% buscando 'ue este to'ue el imán cuando el elevador se encuentre en la posición más alta. 1e ser necesario% use pasta limpiatipos para mantener vertical el imán.
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igura 2a
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igura 2&
Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física Parte III& Campo magnético como "unción de la distancia al imán
3. 4eleccione en el sensor la medida de la componente "#ial usando el interruptor previsto para tal -n. 2. *le+e el sensor de cual'uier fuente de campo magnético y póngalo en cero oprimiendo el botón $are. 9olo'ue de nuevo en su lugar el sensor de campo magnético. . Ieri-'ue 'ue el sensor se encuentra sobre el e+e a&ial del imán. 8. )nicie la toma de datos tomando como primer valor el campo magnético cuando el sensor toca la super-cie del imán !;igura 2a". En ese caso% la distancia a registrar es de 0%5 cm% por'ue el dispositivo 'ue reali$a la medida se encuentra a esa distancia del e&tremo del sensor. a medida se registra presionando el botón Conservar . Escriba la posición en el cuadro de diálogo 'ue aparecerá a continuación. 5.
Tome medidas de la componente radial del campo magnético para medidas cada 0%5 cm desde la super-cie del imán hasta 30 cm de él.
b.
K. Opcional. =epita este procedimiento para otro imán permanente. Análisis
@o responda las preguntas 'ue se dan a continuación como un cuestionario ,reguntaL=espuesta. Empléelas como una gu#a para desarrollar su análisis de una manera Muida% apoyándose en las grá-cas y en sus observaciones durante las mediciones reali$adas. Parte III& Campo magnético como "unción de la distancia al imán
4i reali$ó la medida del campo magnético para los dos polos del imán% tenga en cuenta las siguientes preguntas
3. * partir de los datos tomados realice una tabla como la 'ue se muestra. Sugerencia Cbtenga estos valores arrastrando los datos de intensidad de campo magnético vs. posición hacia la opción $abla en la ventana de &antallas. Campo Magnético de un .mán )ermanente )rofesor: 'leander 0sorio Caicedo
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34orte ) *
3Sur ) *
2. 6:ué relación deber#a e&istir entre las intensidades de campo magnético medidas para cada polo7 64e cumple esta relación7 Nusti-'ue las seme+an$as o discrepancias encontradas. . =ealice un grá-co de Ba&ial vs distancia. ,roponga y discuta con su instructor un modelo 'ue e&pli'ue el comportamiento observado. as preguntas referidas a la componente radial del campo magnético sólo son aplicables en los casos en los 'ue fue reali$ada esta medida opcional.
3. * partir de los datos tomados realice una tabla como la 'ue se muestra. 69ómo cambia la relación Bradial/ Ba&ial7 Sugerencia Cbtenga estos valores arrastrando los datos de intensidad de campo magnético vs. posición hacia la opción $abla en la ventana de &antallas. Distancia ) *
3aial ) *
3radial ) *
3radial +3aial
2. 69ómo var#an las componentes a&ial y radial del campo magnético a medida 'ue se ale+a del centro del imán7 . =ealice un grá-co de Ba&ial vs distancia. ,roponga y discuta con su instructor un modelo 'ue e&pli'ue el comportamiento observado. 8. =ealice un grá-co de Bradial vs distancia. ,roponga y discuta con su instructor un modelo 'ue e&pli'ue el comportamiento observado. 5. aga un es'uema del vector de campo magnético en cada posición usando los valores de las componentes a&ial y radial de un e&tremo a otro del imán. Biliogra"ía *n#bal ?endo$a ,ére$% uis =ipoll ?orales% Nuan ?iranda 9respo. 'ísica E#perimental ( Electricidad ) *agnetismo. 2O edición% revisada y aumentada. Ediciones ninorte%
9. =. @ave. 2)perph)sics% 2005.
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*agnets and electromagnets+ $ttp://$!perp$!sics,p$!8astr,gsu,edu/$&ase/magnetic/elemag,$tml
&ermanent magnets+ $ttp://$!perp$!sics,p$!8astr,gsu,edu/9&ase/solids/magperm,$tml
;rancis R. 4ears% ?arS R. >emansSy% ugh 1. Boung% =oger *. ;reedman. 'ísica 4niversitaria con 'ísica *oderna% volumen 2. ndécima edición% ,earson Educación% ?é&ico% 2005. ,*49C 4cienti-c. "ctivit) &56. *agnetic 'ield of a &ermanent *agnet 7*agnetic 'ield Sensor8 &o1er "mpli9er:. )"1 )ermanent Magnet,doc
,aul *. Tipler% Dene ?osca. 'ísica para la Ciencia ) la $ecnología % volumen 2. =everté%
*agnetic monopole+ ast modi-cation 8 4eptember 200F. $ttp://en,+i5ipedia,org/+i5i/Magnetic-monopole
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