Objetivos:
Determinar las características características del campo campo magnético de la Tierra.
Determinar la componente componente horizontal del campo magnético magnético terrestre en el laboratorio.
Analizar el comportamiento de una barra magnética magnética en un campo campo magnético.
Magnetismo: El magnetismo es un fenómeno físico caracterizado por el hecho de que, los cuerpos que poseen esta propiedad, ejercen fuerzas de atracción y repulsión sobre otros objetos. Determinados materiales poseen características magnéticas y se conocen por tanto como imanes o magnetos. Todo imán tiene dos polos: el polo norte y el polo sur (dipolo magnético). Seguramente, usted conoce las siguientes formas de imanes: Ambos polos atraen objetos que, por lo menos parcialmente, están constituidos por
materiales ferromagnéticos.
Materiales Magnéticos: -
Materiales diamagnéticos: Plata, cobre, bismuto, agua. Éstos atenúan muy poco el campo, es decir, no son magnéticos.
-
Materiales ferromagnéticos: Hierro, cobalto, níquel. Éstos intensifican el campo considerablemente.
-
Materiales paramagnéticos Platino, aluminio, aire. Éstos intensifican el campo muy levemente.
Campo Magnético de la Tierra: 1
Haciendo una simplificación, la Tierra se puede considerar como un imán de barra, que ejerce una fuerza de atracción y repulsión sobre otros imanes. Por esta razón, como bien se sabe, la aguja imantada de una brújula se orienta hacia los polos de la tierra, a lo largo de las líneas de campo. También parece que algunos animales, como las palomas, utilizan el campo magnético de la tierra para orientarse. El polo norte de una brújula indica aproximadamente la dirección del polo norte geográfico. En este caso, aparentemente, existe una contradicción con la regla de los polos (polos opuestos => atracción). En realidad, el "imán de barra" terrestre se encuentra polarizado inversamente, está contenido en el núcleo líquido exterior de la tierra y tiene una inclinación de unos 12° con respecto al eje de rotación de la Tierra.
Origen del campo Magnético terrestre: El núcleo interno de la tierra es sólido y el núcleo externo es líquido. En el núcleo líquido exterior se produce la convección (movimiento circular) de la mezcla líquida de hierro, níquel y azufre, lo que causa una corriente eléctrica de magnitud inimaginable. Esto origina una inducción electromagnética en el núcleo de la Tierra, que produce, a su vez, un gigantesco campo magnético.
La Brújula: 2
Una brújula consta básicamente de un imán apoyado sobre el centro del eje, lo que le permite rotar libremente. Por lo general, la brújula tiene una forma pequeña y sus extremos terminan en punta. Por esta razón se habla de la aguja imantada de la brújula. Bajo el efecto del campo magnético de la Tierra, la aguja se orienta siguiendo el sentido de las líneas de campo. Es decir, el polo norte de la brújula señala aproximadamente en la dirección del polo norte geográfico -
Ubicación geográfica de los polos: En realidad, el polo magnético sur de la Tierra queda cerca del polo geográfico norte. En el mapa se puede ubicar exactamente el polo magnético a 74° de latitud norte y 100° de longitud oeste. El polo magnético norte queda en el plano exactamente a 72° de latitud sur y 155° de longitud este. Se debe tener en cuenta que los polos magnéticos se desplazan lentamente. Los valores mencionados se refieren a mediciones de los años 70.
Instrumentación:
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Fundamento Teórico: Es muy conocido que la aguja de una brújula se orienta de sur a norte debido al campo magnético terrestre. “La Tierra se comporta como un gigantesco imán”. La aguja magnética de la brújula se orienta según las líneas del campo magnético de la Tierra, las cuales no coinciden exactamente con las líneas del meridiano geográfico. El ángulo que forma el Meridiano Magnético respecto de la dirección del meridiano geográfico se llama declinación magnética (D) y puede estar posicionado a la izquierda (W) o a la derecha (E) del meridiano geográfico. Por convención se estableció que las declinaciones magnéticas posicionadas al W (oeste) del meridiano geográfico que pasa por el lugar serán Negativas (D -) y las que estén a la derecha o E (este) serán Positivas (D +). Estudios realizados durante muchos años permitieron establecer que la D (declinación magnética) mantiene un sentido de crecimiento o aumento de su valor en grados hasta llegar a un valor máximo que mantiene durante un período considerable para comenzar a decrecer (disminución de su valor en grados). Las líneas de fuerza salen e ingresan al núcleo de la Tierra atravesando la corteza terrestre, son tangenciales al meridiano magnético. El meridiano magnético describe un arco que provoca que al ingresar en el polo norte magnético lo hagan en forma vertical a la superficie terrestre. Cuando la inclinación es horizontal las líneas de fuerza están ubicadas en el Ecuador Magnético y a medida que se alejan hacia los polos se inclinan hasta llegar a la verticalidad en los polos, saliendo del polo sur e ingresando en el polo norte magnético. La intensidad del campo magnético terrestre B en un punto dado depende de sus polos magnéticos y es tangente a la línea de fuerza que pasa por dicho punto. Cuando una barra magnética suspendida mediante un hilo muy delgado formando un ángulo α con la componente 4
horizontal del campo magnético terrestre, inicia un movimiento oscilatorio debido al torque producido por la fuerza magnética, como se muestra. Si el ángulo α < 15º entonces el movimiento de la barra magnética se podrá considerar como armónico simple, en este caso su periodo de oscilación está dado por:
Donde, I es el momento de inercia de la barra con respecto al eje de rotación, μ es el momento magnético de la barra y BX es la componente horizontal del campo magnético terrestre. Por definición, el momento magnético de la barra está dado por:
Donde, m es la “ la carga magnética “ o también llamada “masa magnética” y L es la distancia entre las “masas magnéticas”. De la ecuación (1) se deduce que:
El momento de inercia de un paralelepípedo rectangular de masa M que gira alrededor de un eje, está dado por:
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Por otro lado, la magnitud del campo magnético B de la barra magnética, en el punto P, tal como se muestra, se encuentra a partir de la ley de Coulomb para el campo magnético, y viene dada por:
Donde, d es la distancia desde el punto medio de la barra al punto P (ver Figura 3) y m es la masa magnética. ି
ૡ
(
√
ି )
Examine y reconozca cada uno de los materiales de su equipo. Realice las
-
calibraciones de los equipos. Utilice la balanza de masas y mida el valor de la masa de la barra magnética, M, en
-
kilogramos. Con el vernier mida las dimensiones, “a” y “b”, de la barra magnética. A partir de estos datos medidos halle el momento de inercia de la barra magnética usando la siguiente expresión: =
(
+
)
TABLA 1:
Masa
Longitud
Ancho
Momento de Inercia
-3
18X10 Kg
0,06m
-6
0,006m
L= 5,9cm
5.45X10
D=10,1cm 6
TABLA 2: N°
1
2
3
4
5
5
5
5
5
5
Tiempo
18,69
21,06
22,13
21,19
20,47
Periodo
3,378
4,426
4,438
4,238
4,094
Mediciones N° oscilaciones
L=0,06m
D=0,101m
T=4,187 Bh=7,45X10
CUESTIONARIO: 1. Utilice la ecuación (6) para calcular la magnitud de la componente horizontal del campo magnético terrestre en el Laboratorio. Compare su respuesta para el campo magnético de la Tierra en laboratorio con el valor teórico obtenido del modelo de referencia del campo geomagnético 2000, que se encuentra en la página web en línea http://www.ngdc.noaa.gov/cgi-bin/seg/gmag/fldsnth2.pl y discuta las razones para las discrepancias en los resultados. Tabla 3 - Coordenadas geográficas y altura en msnm en el patio de la FCF usando un GPS de 100 m de resolución espacial. #
LATITUD
LOMGITUD
ALTURA
HORA
LUGAR
1
12° 03’ 36’’
77° 04’ 54’’
95m
12:51:00
Patio de la Facultad de Ciencias fisicas
7
-5
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2. ¿Qué fuentes de error considera usted que han afectado a los resultados que ha Obtenido? ¿Cómo podrían superarse estos errores? Cualquier tipo de cuerpos magnéticos pudo haber alterado ladirección que marcaba la brújula, respecto al campo magnético. La falta de precisión de los instrumentos utilizados para hallarlos polosmagnéticos. Elmovimiento pendular nofue el ideal.Este inconveniente sepuede superar aislando el área detrabajo de cualquier objetomagnético que pueda perturbar el experimento.
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