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Diaz, Lizeth, Cely, Cely, Xiomara y Pe!te" Pe!te" #e"i$a #e"i$a U!i%er"i&a& &e Sa! 'il, Fa$lta& &e $ie!$ia" !atrale" e i!(e!ier)a. Pro(rama Pro(rama &e I!(e!ier)a Am*ie!tal
"+7 "+7" " 0(*T 0(*T("L ("L:: (na carg cargaa pu punt ntua uall es un unaa carg cargaa
CAMPO MAGNETICO Y FUERZAS MAGNETICAS
Resumen — Todos utilizamos fuerzas magnéticas. Están en el corazón de los motores eléctricos, cinescopios de televisión, hornos de microondas, altavoces, impresoras y unidades lectoras de discos. Los aspectos más familiares del magnetismo son aquellos asociados con los imanes permanentes, que atraen o!etos de fierro que no son magnéticos, y que atraen o repelen otros imanes. La naturaleza fundame fundamenta ntall del magnet magnetism ismoo es la intera interacci cción ón de las carga cargass eléctricas en movimiento. " diferencia de las fuerzas eléctricas, que act#an sore las cargas eléctricas estén en movimiento o no, las fuerzas magnéticas sólo act#an sore cargas que se mueven. $uerza, magnetism magnetismo, o, imán, corriente, corriente, Palabras Palabras clave— clave— $uerza, inducción, oina. Abstract — %e all use magnetic forces. They are at the heart of electric motors, television picture tues, micro&ave ovens, spea'ers, printers and dis' drives readers. The most familiar aspects of magnetism are those associated &ith the permanent magnets, &hich attract iron o!ects &hich are not magnetic, and attract or repel other magnets. The fundamental nature of magnetism is the interaction of the moving moving electric electric charges. charges. (nli'e (nli'e electric electrical al forces, forces, acting acting on the electric charges are moving or not, the magnetic forces only act on charges moving.
— $orce, magnetism, magnet, current, induction, coil.
Index Terms Terms
).
) *T+-()*
E
eléctrica hipotética, de magnitud finita, contenida en un punto geométrico carente de toda dimensión, en otras palaras, una carga puntual consiste en dos cuerpos con carga que son muy peque;os en comparación comparación con la distancia distancia que los separa. separa. <"7*ET)1<: El magnetismo es una rama de la f6sica muy comple comple!a !a ya que no pue puede de ser e=plicad e=plicadoo #nicam #nicament entee mediante postulados de la mecánica clásica, por lo que aqu6 trataremos revemente algunos de los fenómenos más ásicos. El fenómeno del magnetismo era conocido ya por los antiguos griegos desde hace más de >??? a;os. 1e oservaa que ciertos minerales 2imanes3 pod6an atraer o repeler peque;os o!etos de hierro. E*E+7)": El concepto de energ6a está relacionado con la capacidad de generar movimiento o lograr la transformación de algo. En el ámito económico y tecnológico, la energ6a hace referencia a un recurso natural y los elementos asociados que permiten hacer un uso industrial del mismo. $(E+@": En f6sica, una fuerza es una influencia que hace que un cuerpo cuerpo lire lire de somete someterse rse a una aceler aceleraci ación. ón. $uerza $uerza tamién puede ser descrito por conceptos intuitivos como un empu!ón o un tirón que puede causar un o!eto con masa para camiar su velocidad 2que incluye a comenzar a moverse de un estado de reposo3, es decir, acelerar, o que pueden hacer que un o!eto fle=ile a deformarse. (na fuerza tiene tanto magnitud y dirección, lo que es un vector de cantidad.
l campo magnético / es una magnitud vectorial. 0uede estar producido por una carga puntual en movimiento o por un con!unto de cargas en movimiento, es decir, por una corriente eléctrica. La unidad de campo magnético en el 1istema )nternacional es el tesla 2T3. (n tesla se define como el campo magnético que e!erce una fuerza de 4 * 2ne&ton3 sore una carga de 4 2culomio3 que se mueve a velocidad de 4 m5s dentro del campo y perpendicularmente a las l6neas de campo. El tesla es una unidad muy grande, por lo que a veces se emplea como unidad de campo magnético el gauss 273 que, aunque no pertenece al 1istema )nternacional sino al sistema 71, tiene un valor más acorde con el orden de magnitud de los campos magnéticos que haitualmente se mane!an. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de part6c part6cula ulass cargad cargadas, as, como como electr electrone ones, s, lo que indica indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. Las fuerza fuerzass magnét magnética icass entre entre imanes imanes y5o y5o electr electroim oimane aness es un efec efecto to resi residu dual al de la fuer fuerza za magn magnét étic icaa entr entree carg cargas as en movimiento.
4. servar el camio de dirección de una corriente con la ayuda de una agu!a magnética. >. servar el comportamiento de un conductor sostenido por dos alamres de core en la presencia del campo magnético de distintos tipos de imanes. C. servar como al desplazar un imán por el interior de una oina se induce en esta una corriente eléctrica la cual se va a determinar conectando un galvanómetro a los ornes de la oina. -e esta manera se puede determinar la dirección de la corriente. D. servar la e=istencia de la tensión inducida mediante el uso de un imán, una oina y un mult6metro. . se serv rvar ar con con la ayud ayudaa del del galv galvan anóm ómet etro ro como como la corriente inducida es proporcional al n#mero de espiras de la oina.
Este E ste traa raa!o !o fue fue apoy apoyad adoo y real ealizado zado po porr -iaz, az, Lize Lizetth. yudydiaz.u yudy diaz.unisan nisangil. gil.edu. edu.co, co, ely, ely, 8iomara 8iomara nelcycely nelcycely.un .unisang isangil.ed il.edu.co u.co y 0uentes, 9esica, 9esica, yesicapuentes.unisangil.edu.co yesicapuentes.unisangil.edu.co
1e dice que "l definir la electricidad como el movimiento de electrones puede asumirse que la corriente continua es aquell aqu ellaa en la cual cual los electr electrone oness se despla desplazan zan de manera manera
)). /AE /AET T)B B1 1
A. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
>
constante en un solo sentido. 0or convención se admite que dicho desplazamiento va del positivo al negativo. El primero en descurir los efectos magnéticos de la corriente eléctrica fue el f6sico danés F. ersted, quien en 4GG4 oservo que la agu!a de una r#!ula en las pro=imidades de un conductor eléctrico se desviaa cuando circulaa corriente por el conductor, o sea la agu!a magnética e=perimentaa una desviación de su posición de equilirio cuya magnitud depend6a de la intensidad de la corriente y de la distancia entre el conductor y la agu!a. La orientación final de la agu!a imantada depend6a tamién del sentido de circulación de la corriente. La e=plicación de este fenómeno parte del hecho que alrededor de cualquier carga eléctrica en movimiento se forma un campo magnético perpendicular al vector velocidad de la part6cula cuya dirección se determina por la regla de la mano derecha. La e=plicación de este fenómeno parte del hecho que alrededor de cualquier carga eléctrica en movimiento se forma un campo magnético perpendicular al vector velocidad de la part6cula cuya dirección se determina por la regla de la mano derecha. 0or tanto si en vez de tener una carga puntual tenemos un flu!o continuo de cargas por interior de un conductor en el sentido "H/, tomando con el dedo pulgar el sentido de la corriente, la dirección del campo magnético será desde el centro de la mano hacia la punta de los dedos formando c6rculos concéntricos alrededor del conductor.
Induccin Elec!r"ma#n$!ica La inducción eléctrica fue descuierta en 4GC4 por el f6sico inglés
$igura 4. (icamos los dos imanes de manera que los dos se repulsaran. K0or qué pasa esto Esto se dee a la repelencia magnética la cual nos dice que es uando (n imán o un permanente magneto 2materia con 0ropiedades
%ESARRO&&O %E ACTI'I%A%ES () CAMPOS MAGNETICOS ))). +E(+11 <"TE+)"LE1 )manes circulares en un e!e de madera
-istancia
N g 4,> cm $uente: "utores.
$uerza ?
cmO?,?4>m
Energ6a 0otencial G,G>=4?HCA
C
$Oqῡ = ẞ ῡ y ẞO son constantes EpOmPgPhO2?,?N'g32Q,Gm5s>32?,?4>m3OG,G>=4?HCA
K0or qué ocurre esto KMué sucede si ponemos el imán al lado de la pantalla
$mOR m4 m>5rS>O 2D=4?HN *5">3 2?,?'g3 2?,?N'g35 2?,?4>m3>OC,=4?H * La ' como la permeailidad magnética, m4 la masa magnética del primer imán, m> masa magnética del segundo imán, y r la distancia que separa entre los dos imanes. En f6sica se denomina permeailidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética e=istente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material
*) IMANES EN UNA PANTA&&A %E CAT,%ICOS
"l acercar un imán a la pantalla del monitor, oservamos que la imagen se distorsiona. Esto sucede porque el imán desv6a la trayectoria de los electrones que hacen el arrido de la pantalla, haciendo que impacten en zonas en las que no de6an hacerlo. -eido a esto es que en la pantalla a la que se acercan imanes se producen imágenes 2con patrones definidos y otras con formas más aleatorias3 con l6neas ro!as, azules y verdes 2colores oservados en la figura C3.
TU+OS
$igura D. (icamos dos imanes en la pantalla de tuos catódicos. 1uponiendo que son dos electrones al cual está variando el movimiento por el campo magnético. Fallamos la fuerza como si fueran dos electrones separados una distancia dada por la pantalla entre el imán y el arco de mayor distancia visualizado y aplicando la Ley de oulom, hallamos el valor y la dirección del campo magnético suponiendo que la velocidad de los electrones en dada por el tuo de rayos catódicos es >,U=4? Nm5s. $igura >. )mán en una pantalla de tuos catódicos T"/L" )). -"T1 -E -1 )<"*E1 1(0*)E*- M(E
1* -1 ELET+*E1. -istancia $uerza cm D,?D=4?H>U * $uente: "utores.
$igura C. (icamos imanes de diferentes tipos en una pantalla de tuos catódicos y evaluamos el efecto.
ampo
-irección del campo ȋ
-. Q=4?Q *m>5> '.>,U=4?Nm5s /. 4,?U=4?H4Q Arc" de ma0"r dis!ancia OC cmO?,?Cm %is!ancia en!re 1l"s elec!r"nes2 O cm .?,? m F.-/(/*3R * . 2Q=4?Q *m>5>3 24,?U=4?H4Q 3 24,?U=4? H4Q 35 2?,?3>O D,?D=4?H>U * F*(. D,?D=4?H>U * 2 ȋ3 F(*. 4D,?D=4?H>U * 2 ȋ3
D
$OEVq EO $5q O 2D,?D=4? H>U *3 5 24,?U=4?H4Q 3 O C,G4=4? HN *5 E O R M5r>OC,G4U=4? HN *5
5) ACCI,N %E& CAMPO MAGNETICO SO+RE UNA CORRIENTE MO'I& 6E78eriencia N") 59 )B. +E(+11 <"TE+)"LE1 $uente de poder "lamre de core rectil6neo -os /ases )mán +ecto e imán de herradura -os ornes aisladores uatro ales de cone=ión *uez dole /omillo de D?%
$igura . 1e realizó el monta!e indicado 2"cción del campo magnético sore una corriente móvil3. El omillo se usa para evitar un cortocircuito. El cale recto entre los ornes " y / se coloca de tal manera que quede horizontal. La fuente de poder se a!usta para que entregue > B-. Luego se cierra el circuito por cortos espacios de tiempo y acerque los distintos imanes.
$igura U. "cción del campo magnético sore una corriente móvil.
$igura N. El imán recto se acerca paralelo al conductor y a Q? respecto del conductor por el polo *orte y el 1ur. serve el comportamiento del conductor. +epita el e=perimento anterior invirtiendo el sentido de la corriente. La inversión del sentido de corriente se realiza intercamiando de posición los terminales de alimentación en la fuente de poder. T"/L" ))). ")W* -EL "<0 <"7*ET) 1/+E
(*" ++)E*TE <B)L. orriente "ngulo de eléctrica ) variación 243 243 ?,4 " Q?X $uente: "utores.
orriente eléctrica ) 2>3 ?,4N "
"ngulo de variación 2>3 Q?X
:) IN%UCCION POR ME%IO %E UN IMAN 6E78eriencia N") :9
B. +E(+11 <"TE+)"LE1 /oina de 4??? espiras )mán +ecto uatro ales de cone=ión 7alvanómetro
eléctrica ) eléctrica ) 2lento3 2rápido3 4? " >? " $uente: "utores.
eléctrica ) 2lento3 H4? "
eléctrica ) 2rápido3 H>? "
servamos que cuando introducimos el polo sur la corriente circula en sentido contrario es decir que seg#n la posición de sus polos se produce la corriente en un sentido u otro. uando introducimos el polo norte del imán 2color ro!o3 ocurre que cuando metemos el imán la corriente circula en un sentido y al sacarlo en sentido contrario y si lo hacemos con el polo sur ocurre en sentido contrario. 1i se mete y se saca repetidamente el imán de una oina se genera una corriente alterna y si este no está en movimiento no se genera 2)O?3. Tamién oservamos que si de!áamos el imán dentro de la oina no se produce corriente tiene que haer una variación del flu!o magnético, es decir las l6neas fuerza del imán del campo magnético tienen que variar respecto a la oina. CAMPO MAGN;TICO E IN%UCCI,N E&ECTROMAGN;TICA
$igura G. El imán recto se acerca paralelo al conductor y a Q? respecto del conductor por el polo 1ur.
$igura Q. El imán recto se introduce en la oina y se retira lentamente y de igual manera se introdu!o y se retiró rápidamente, oservando el valor má=imo de la corriente inducida. $igura 4?. ampo magnético e inducción electromagnética. T"/L" )B. )*-()* 0+
3 orriente orriente
U
$igura 44. 1e oserva que la corriente eléctrica tamién genera un campo magnético a su alrededor.
$igura 4D. Equipo de traa!o. 0+E7(*T"1 E78eriencia N") 5
$igura 4>. ampo magnético e inducción electromagnética.
C"m" se a8lica la &e0 de la man" derecA /u$ se debe el m"vimien!" de la a#u=a ma#n$!ica? Es!a @uera ma!emB!icamen!e c"m" se e78resa 0 de /ue variables de8ende) +aspa una agu!a con un imán y vas a otener una agu!a magnética. 1irve para hacer r#!ulas. (na r#!ula es una agu!a imantada que flota en una solución traspasa un corcho con una agu!a, luego raspa la punta d la agu!a con un imán y dps tira el corcho con la agu!a en un vaso con agua.
$igura 4C. La luz del láser se deforma.
>El
N
e=tremo y las impulse hasta el otro. El flu!o de cargas eléctricas por un conductor constituye una corriente eléctrica.
Due es un elec!r"imBn (n electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flu!o de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Los electroimanes generalmente consisten en un gran n#mero de espiras muy pró=imas entre s6 de alamre que crean el campo magnético. Las espiras de alamre a menudo se enrollan alrededor de un n#cleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferromagnético, como el hierroY el n#cleo magnético concentra el flu!o magnético y hace un imán más potente. CuBl es el 8rinci8i" de @unci"namien!" del #alvanme!r") (n galvanómetro es un instrumento que se usa para detectar y medir la corriente eléctrica. 1e trata de un transductor analógico electromecánico que produce una deformación de rotación en una agu!a o puntero en respuesta a la corriente eléctrica que fluye a través de su oina. Este término se ha ampliado para incluir los usos del mismo dispositivo en equipos de graación, posicionamiento y servomecanismos. Es capaz de detectar la presencia de peque;as corrientes en un circuito cerrado, y puede ser adaptado, mediante su caliración, para medir su magnitud. 1u principio de operación 2oina móvil e imán fi!o3 se conoce como mecanismo de -Z"rsonval, en honor al cient6fico que lo desarrolló.
E78eriencia N") : Due sucede desde el 8un!" de vis!a ma#n$!ic" c"n el c"nduc!"r cuand" se e78"ne a la in!eraccin de l"s imanes) uando un conductor se e=pone a un campo magnético que camia, ya sea porque hay variaciones del propio campo magnético con el tiempo o porque conductor y campo están en movimiento relativo, se producen en el conductor unas corrientes eléctricas inducidas, llamadas corrientes de $oucault. Estas corrientes, a su vez, producen campos magnéticos, por lo que la interacción de éstos con el original puede dar lugar a efectos atractivos, repulsivos, de propulsión o de resistencia al movimiento. Due sucede cuand" invier!e la direccin de la c"rrien!e) E78li/ue ) "hora ien, si tu tomas los polos, los desconectas y donde antes estaa el polo positivo pones el negativo y donde estaa el negativo pones el positivo, entonces estas [invirtiendo la polaridad[, puesto que estas conectando los polos al contrario que donde antes estaan conectados. E78eriencia N") Due es c"rrien!e 0 !ensin inducidas. Es una magnitud f6sica que refle!a la cantidad de electricidad que, en una unidad de tiempo, fluye por un conductor. Este flu!o de cargas eléctricas se mide en amperios, de acuerdo al 1istema )nternacional. Es posile distinguir entre la corriente continua 2la corriente eléctrica que fluye en un mismo sentido3 y la corriente alterna 2que invierte el sentido de su movimiento seg#n una cierta frecuencia periódica. El medidor magnético de caudal funciona seg#n la ley de $araday que estalece que la tensión inducida a través de cualquier conductor, al moverse este perpendicularmente a través de un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor. Due le0es describen las "bservaci"nes !"madas de las E78eriencias 5 0 :) Enncielas ma!emB!icamen!e 0 e78l/uelas c"n sus 8r"8i"s !$rmin"s)
La Ley de $araday dice que una tensión se desarrollará a través de un conductor cuando éste esté en un campo magnético camiante. La Ley de Lenz dice que la polaridad de la tensión inducida creada, es tal, que la corriente eléctrica resultante produce un campo magnético que se opone al campo magnético que lo creó.
Du$ si#ni@icad" !iene el
E78li/ue el @unci"namien!" de un !rans@"rmad"r) Los transformadores se asan en la inducción electromagnética. "l aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flu!o magnético en el n#cleo de hierro. Este flu!o via!ará desde el devanado primario hasta el secundario. on su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario. 1eg#n la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flu!o. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.
Due es la au!"4induccin 0 la induccin mu!ua) Au!"induccin: es un fenómeno por el cual en un circuito eléctrico una corriente eléctrica 2intensidad3 variale en el tiempo genera 2en el circuito3 otra fuerza electromotriz o volta!e inducido, que se opone al flu!o de la corriente inicial inductora, es decir, tiene sentido contrario. (n inductor es un circuito que consiste en un conductor enrollado alrededor de un n#cleo 2ya sea de aire o de hierro3. El fenómeno de autoinducción surge cuando el inductor y el inducido constituyen el mismo elemento. 1e denomina autoinducción de un circuito a la generación de corrientes inducidas en el circuito, cuando en él se produce una variación del propio flu!o. ]sta puede variar seg#n la intensidad de corriente. Induccin mu!uaH 1on > o más emoinados separados eléctricamente, pero que están e=puestos a un mismo campo magnético. (n transformador se constituye por un n#cleo de hierro dulce laminado, un emoinado primario y uno más emoinados secundarios. omo es de suponer, todas las vueltas del emoinado estarán e=puestas al campo magnético y que al reconcentrarse, este será cortado por todas las vueltas del alamre, con lo cual se induce un volta!e en ellas. 1e nomra emoinado primario al que recie el volta!e, y secundario en el cual se induce dicho volta!e. Bemos entonces que se trata de > emoinados separados eléctricamente, pero que están unidos por un mismo campo magnético, a este fenómeno se le denomina inducción mutua.
G
B). *L(1)*E1 ^En la e=periencia 4 (n imán o un permanente magneto 2materia con 0ropiedades
en nuestra oinaY este es el principio de funcionamiento de un transformador. Tiene que haer variación eléctrica en el electroimán para que as6 haya una variación de flu!o magnético que interacciona con la oina y por tanto poder inducirse una corriente eléctrica si lo de!amos quieto no se genera una corriente eléctrica es por ello que los transformadores funcionan con corriente alterna y no corriente continua ^ (na corriente inducida fluirá en una dirección tal que por medio de su campo magnético se opondrá al movimiento del campo magnético que la produce. 1i se realiza más traa!o para mover el imán en la oina, mayor será la corriente inducida y por lo tanto mayor será la fuerza de resistencia. (n generador transforma energ6a mecánica en energ6a eléctrica, es lo contrario de un motor. 1aemos que el principio de la inducción magnética o inducción de campo cercano es usada en los transformadores, motores eléctricos, generadores, entre otras ^ 1e oservó en la e=periencia D que la corriente inducida es mayor mientras más rápido se desplaza el imán por el interior de la oina. ^ servamos que cuando introducimos el polo sur la corriente circula en sentido contrario es decir que seg#n la posición de sus polos se produce la corriente en un sentido u otro. uando introducimos el polo norte del imán 2color ro!o3 ocurre que cuando metemos el imán la corriente circula en un sentido y al sacarlo en sentido contrario y si lo hacemos con el polo sur ocurre en sentido contrario. 1i se mete y se saca repetidamente el imán de una oina se genera una corriente alterna y si este no está en movimiento no se genera 2)O?3. Tamién oservamos que si de!áamos el imán dentro de la oina no se produce corriente tiene que haer una variación del flu!o magnético, es decir las l6neas fuerza del imán del campo magnético tienen que variar respecto a la oina. ^ 1e identificaron las l6neas de campo magnético, a través de un e=perimento sencillo. ^ Los polos de un imán y sus diferentes reacciones ante la aplicación de la limadura de hierro. ^ (n o!eto no magnetizado con hierro es atra6do por cualquiera de los polos del imán permanente. Los imanes permanentes e!ercen fuerzas uno sore otro y sore trozos de hierro que noestán magnetizados ^ Las l6neas decampo eléctricos representan la interacción en forma de traa!o O variación de energ6a potencial y cinética. ^ La fuerza magnética sore una part6cula con carga en movimiento siempre es perpendicular al campo magnético /. 0ero no siempre es perpendicular a las l6neas de campo magnético, por e!emplo si las l6neas del campo eléctrico son l6neas rectas una part6cula cargada inicialmente a lo largo de
Q
las l6neas del campo no e=perimentara fuerzas magnéticas y continuara moviéndose paralela a las l6neas del campo. ^ El campo magnético generado por un alamre por el que pasa corriente es tangente a un punto uicado a una distancia + paralela al alamre recto y su valor depende inversamente de esta misma distancia. +E$E+E*)"1 _4`
< lmo + *ave, Fyper 0hysics. $uerzas magneticas tenido de: http:55&&&.profesorenlinea.cl5fisica5Tecnologia5)+()T1ELET+) 1.htm onsultado el 4> de noviemre >?4U.
_>` $6sica para ciencias e ingenier6as con f6sica moderna volumen >. +"9<* " 1E+%"9, AF* % AE%ETT.
_C` $rancis %. 1ears y 5medicionesHdeH volta!ecorrienteHyHresistenciaHelectricaHlaoratorio _D` ampos magnéticos y fuerzas magnéticas. tenido de: http:55&&&.academia.edu54UD>GDN5LaoratorioCH de noviemre >?4U. _` 1ears, @emans'y, 9oung b $reedman, I$6sica (niversitariaJ, Ed. 0earson Education 2vol. ))3 _U` A1] -"B)- 0]+E@ "+"*7, 2>?4?3 Electricidad inalámrica tenido de: http:55repositorio.utp.edu.co5dspace5itstream5handle544?Q54QGC5U>4CG >0DCG.pdfY!sessionidO4ENGD$UU/->N?GG$"UNNUU/G$G$-- sequenceO4 onsultado el 4 de noviemre >?4U.
