UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Fundada en 1551 FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA
“
Campo Magnético Terrestre y Componente Horizontal ” Experiencia N° 7 Informe grupal E.A.P. INGENIERIA QUIMICA (0.72) Curso: Laboratorio de física III Profesor: Zavala Integrantes: Lady Osorio Toribio
10070174
Grupo: Viernes 10-12 am. Lima – Perú Perú
Laboratorio de Física III 2 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
INDICE Objetivos
3
Equipos y materiales
3
Principios teóricos
4
Desarrollo experimental
8
Apéndice
10
Conclusiones
13
Recomendaciones
14
Bibliografía
15
Anexo
15
Laboratorio de Física III 3 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
1. OBJETIVOS Determinar la componente horizontal del
campo magnético terrestre
Determinar las características del campo magnético de la
Estudiar el comportamiento de una barra
Tierra.
magnética en un Campo Magnético.
2. EQUIPOS Y MATERIALES
Balanza de masas .- Es un instrumento utilizado en física, que sirve para medir la masa. Su característica más importante es que poseen muy poca incertidumbre, lo que las hace ideales para utilizarse en mediciones muy precisas.
Barra magnética
Brújula.- es un instrumento que sirve de orientación y que tiene su fundamento en la propiedad de las agujas magnetizadas. Por medio de una aguja imantada señala el Norte magnético, que es ligeramente diferente para cada zona del planeta, y distinto del Norte geográfico. Utiliza como medio de funcionamiento el magnetismo terrestre. La aguja imantada indica la dirección del campo magnético terrestre, apuntando hacia los polos norte y sur. Únicamente es inútil en las zonas polares norte y sur, debido a la convergencia de las líneas de fuerza del campo magnético terrestre.
Magnetómetro .-Es un dispositivos que sirve para cuantificar en fuerza o dirección de la señal magnética de una muestra
Cronómetro .- utilizada para normalmente breves y precisas
medir
fracciones
temporales,
Laboratorio de Física III 4 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
3. PRINCIPIOS TEÓRICOS Magnetismo Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo. 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 (Fe 3O4) 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, que es un gigantesco imán natural. La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B. Desde hace tiempo es conocido que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado. Imantar un material es ordenar sus imanes atómicos. En la figura derecha se observa en primer lugar un material sin imantar y debajo un material imantado. El magnetismo es producido por imanes naturales o artificiales. Además de su capacidad de atraer metales, tienen la propiedad de polaridad. Los imanes tienen dos polos magnéticos diferentes llamados Norte o Sur. Si enfrentamos los polos Sur de dos imanes estos se repelen, y si enfrentamos el polo sur de uno, con el polo norte de otro se atraen.
Laboratorio de Física III 5 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal Otra particularidad es que si los imanes se parten por la mitad, cada una de las partes tendrá los dos polos. Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro. La atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos.
Campo magnético Se denomina campo magnético a la región del espacio en la que se manifiesta la acción de un imán. Un campo magnético se representa mediante líneas de campo. Un imán atrae pequeños trozos de limadura de hierro, níquel y cobalto, o sustancias compuestas a partir de estos metales (ferro magnéticos). La imantación se transmite a distancia y por contacto directo. La región del espacio que rodea a un imán y en la que se manifiesta las fuerzas magnéticas se llama campo magnético. Las líneas del campo magnético revelan la forma del campo. Las líneas de campo magnético emergen de un polo, rodean el imán y penetran por el otro polo. Fuera del imán, el campo esta dirigido del polo norte al polo sur. La intensidad del campo es mayor donde están mas juntas las líneas (la intensidad es máxima en los polos).
El magnetismo esta muy relacionado con la electricidad. Una carga eléctrica esta rodeada de un campo eléctrico, y si se esta moviendo, también de un campo magnético. Esto se debe a las “distorsiones” que sufre el campo eléctrico al moverse la partícula.
El campo eléctrico es una consecuencia relativista del campo magnético. El movimiento de la carga produce un campo magnético. En un imán de barra común, que al parecer esta inmóvil, esta compuesto de átomos cuyos electrones se encuentran en movimiento (girando sobre su orbita. Esta carga en movimiento constituye una minúscula corriente que produce un campo magnético. Todos los electrones en rotación son imanes diminutos.
Laboratorio de Física III 6 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
Campo magnético terrestre Las líneas del campo magnético terrestre salen del polo norte magnético hacia el polo sur. El campo magnético terrestre presente en la Tierra no es equivalente a un dipolo magnético con el polo S magnético próximo al Polo Norte geográfico, y, con el polo N de campo magnético cerca del Polo Sur geográfico, sino más bien presenta otro tipo especial de magnetismo. Es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y está presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol. Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos como la orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas. Una brújula apunta en la dirección Sur-Norte por tratarse de una aguja imantada inmersa en el campo magnético terrestre: desde este punto de vista, la Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos. El Polo Norte Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética. La declinación magnética depende del lugar de observación, por ejemplo actualmente en Madrid (España) es aproximadamente 3º oeste. El polo Sur magnético está desplazándose por la zona norte canadiense en dirección hacia el norte de Alaska.
Origen del Campo Magnético de la Tierra La estrecha relación entre el magnetismo y la electricidad ofrece una explicación al magnetismo de la Tierra. La brújula ha puesto de relieve sus líneas de fuerza magnéticas, que van desde el “polo Norte magnético”, localizado al norte del Canadá, hasta el “polo Sur magnético”, situado
en el borde de la Antártica, cada uno de ellos a unos 15º de latitud de los polos geográficos. Según esta teoría, el magnetismo de la Tierra puede originarse en el flujo de corrientes eléctricas situadas profundamente en su interior. El físico estadounidense de origen alemán Walter Maurice Elsasser (1904 – 1991) fue el primero en sugerir que la rotación de la Tierra crea lentos remolinos, que giran de Oeste a Este, en el núcleo de hierro fundido. Estos remolinos generan una corriente eléctrica que, como ellos, circula de Oeste a Este. Del mismo modo que la bobina de cable de Faraday producía líneas magnéticas de fuerza en su interior, la corriente eléctrica circulante lo hace en el núcleo de la Tierra.
Laboratorio de Física III 7 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal Por tanto, crea el equivalente de un imán interno, que se extiende hacia el Norte y al Sur. A su vez, este imán es responsable del campo magnético general de la Tierra, orientado, aproximadamente, a lo largo de su eje de rotación, de modo que los polos magnéticos están situados muy cerca de los polos geográficos Norte y Sur. Elsasser en el año 1939 propuso la teoría de la existencia de corrientes parásitas (también llamadas corrientes de Foucault) en el núcleo líquido del planeta, cuya existencia se confirmó más tarde gracias a las exploraciones llevadas a cabo mediante el empleo de satélites artificiales.
Brújula La brújula o compás magnético es un instrumento que sirve de orientación y que tiene su fundamento en la propiedad de las agujas magnetizadas. Por medio de una aguja imantada señala el Norte magnético, que es ligeramente diferente para cada zona del planeta, y distinto del Norte geográfico. Utiliza como medio de funcionamiento el magnetismo terrestre. La aguja imantada indica la dirección del campo magnético terrestre, apuntando hacia los polos norte y sur. Únicamente es inútil en las zonas polares norte y sur, debido a la convergencia de las líneas de fuerza del campo magnético terrestre. Téngase en cuenta que a mediados del siglo XX la brújula magnética comenzó a ser sustituida -principalmente en aeronaves- por la brújula giroscópica y que actualmente los giróscopos de tales brújulas están calibrados por haces de láser.
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4. DESARROLLO EXPERIMENTAL 4.1 Antes de empezar con la experiencia debemos revisar y calibrar los equipos, en este caso calibrar correctamente la balanza. 4.2 Haciendo uso de la balanza de masas se procede a medir el valor de la masa de la barra magnética M (Kg). Con el vernier se mide las dimensiones de la barra “ a ” y “b ”. A partir de los datos
obtenidos se halla el momento de inercia, I.
( ) ( ) TABLA 1: M asa
Longitud
Ancho
M omento de I nercia
M(Kg)
a(m)
b(m)
I (Kg-m )
0.021
0.006
0.064
7.231x 10-6
2
4.3 Se procede a determinar la distancia, L, entre los polos magnéticos del imán. Para ello se utiliza la brújula. Antes de realizar la medición se desaloja de la mesa de trabajo todo material magnético, como por ejemplo, reloj anillos, gafas, etc. Se coloca la barra magnética en el centro de la mesa y con ayuda de la brújula se trazan algunas líneas de fuerza, que se salgan de los polos.
Prolongando las líneas de fuerza trazadas en la dirección en que ellas parecen converger, se encuentra la posición de los polos magnéticos.
Laboratorio de Física III 9 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal 4.8 Para efectuar el procedimiento se monta los equipos igual como se muestra en la figura. Se pondrá la barra magnética sobre el péndulo en dirección del campo magnético terrestre. Evitando cualquier otro tipo de movimientos inusual, es decir, la barra permanecerá estática. Con otra barra magnética que induce a la otra en realizar oscilaciones, formando una ángulo no mayor de 12º. Después de este proceso se hará distinta mediciones con el cronómetro y nos resultará la siguiente tabla: Nº DE MEDICIONES
1
Nº DE OSCILACIONES
100
TIEMPO : t(s)
93
PERIODO: T(s)
0.93
L=(0.056 )m
d= (0.075 )m
Bx = 1.024x
T
Laboratorio de Física III 10 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
5. APENDICE: 5.1.- Utilice la ecuación (6) para calcular la magnitud de la componente horizontal del campo magnético terrestre en el laboratorio. Compara tu respuesta para el campo magnético de la Tierra en laboratorio con el valor teórico obtenido del modelo de referencia del campo geomagnético 2000 y discuta las razones para las discrepancias en los resultados. Utilizando la ecuación que es la siguiente: B x
8 2 KId T (4d
2
L2 )
Y reemplazamos luego en esta fórmula los datos obtenidos en nuestra experiencia que están anotados en la Tabla 2, tenemos que B x = 4,9x 10-5 T El valor teórico de la componente horizontal del campo magnético se halla mediante la siguiente ecuación: Bh
Donde:
M 3
r
sen
M = momento magnético de la tierra (8.3 x 10 25 CGS) r = radio de la tierra (6 378 388 x 10 2 cm) Φ = ángulo de inclinación vertical (En Lima es de 77.05°)
Con estos datos calcularemos el valor teórico: Bh = 0.311791 Oe. (Valor teórico)
5.2.-¿Qué fuentes de error considera usted que han afectado a los resultados que ha obtenido?¿Cómo podrían superarse estos errores?
La balanza debido a error humano podría estar mal calibrada, por lo que se debería pedir asesoramiento al profesor para que así este calibrada con la mayor precisión posible.
Al acercar la mucho la brújula al imán las agujas de este se pueden imantar por lo que causaría error de cálculos, se debería tener una distancia prudente.
Si hubiera objetos de metal próximos generarían errores de cálculo, por lo que se recomienda despejar el área de trabajo
Laboratorio de Física III 11 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
5.4. ¿Cuáles son las características del campo magnético terrestre? ¿Cuál es el comportamiento de una barra magnética dentro de un campo magnético? 1. El campo magnético terrestre es uniforme. 2. La dirección la imantación interna forma un ángulo de 15º con el eje terrestre. Cuando una barra magnética es introducida en un campo magnético suspendida con un hilo delgado forma un ángulo con la componente horizontal del campo magnético terrestre e inicia un movimiento oscilatorio debido al torque producido por la fuerza magnética que actúa sobre la barra magnética. Cuando un pequeño imán permanente se sitúa en el interior de un campo magnético, tiende a orientarse por si mismo, de modo que el polo norte señale en la dirección y sentido de B.
Existe una fuerza f 1 actuando sobre el polo norte en la dirección y sentido de B y otra, f 2, igual pero opuesta, sobre el polo sur. La intensidad del polo del imán q* se define como el cociente entre el valor de la fuerza ejercida sobre el polo y el valor del campo magnético: q* =f / B Si adoptamos el convenio de signos de que el polo norte es + y el polo sur -, la fuerza sobre un polo puede escribirse vectorialmente como:
A partir de
vemos que existe un momento o par que actúa sobre un imán situado en un campo magnético. Si l es un vector que señala del polo sur al polo norte con el valor de la distancia entre ellos el momento es
La unidad de m en el SI es el ampere-m 2 (A-m2) al ser (A-m) la unidad de la intensidad del polo (q*), así el par sobre el imán en función de m:
Laboratorio de Física III 12 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
Las líneas de B se dibujan al igual que se hizo con E, es decir, paralelas a B en cada punto e indicando el módulo mediante la densidad de líneas. 5.5 ¿En qué lugar de la tierra las componentes horizontal y vertical del campo magnético terrestre son máximos? ¿Por qué? Explique gráficamente. Como otros cuerpos del Sistema Solar, la Tierra tiene un campo magnético, cuyo origen parece estar en su interior generado por las corrientes del núcleo interno. La componente más importante de este campo es como la de un dipolo, como el de un imán de barra; sin embargo, el dipolo que mejor se aproxima al campo que observamos no se encuentra en el centro de nuestro planeta sino desplazado de él 486 km en la dirección 6.5 ° N, 161.8° E. El eje magnético está inclinado alrededor de 11.5° respecto al eje de rotación terrestre; es decir, los polos magnéticos difieren de los geográficos. Actualmente el norte geográfico corresponde al sur magnético y viceversa. Para describir al campo se usan dos ángulos: la declinación que es la variación respecto al norte geográfico, que depende del lugar y fue observada por primera vez por los chinos; y la inclinación que es la variación con respecto a la horizontal y fue descubierta en 1544. El campo es más intenso cerca de los polos , alrededor de 0.630 gauss, que en el Ecuador, 0.315 gauss, y presenta variaciones en muy diversas escalas de tiempo, desde decimas de segundos asociadas a las variaciones del Sol, hasta de millones de años como las inversiones de polaridad. Las causas de las variaciones pueden ser muy distintas: por ejemplo, tormentas magnéticas (variaciones accidentales) o la electrización de las capas superiores de la ionosfera por rayos solares (diurnas). Otras características de la evolución temporal del campo son: su deriva hacia el oeste, las zonas de campo inverso (en relación con el campo dipolar), las excursiones magnéticas y las inversiones polares.
Laboratorio de Física III 13 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
6. CONCLUSIONES
La Tierra ejerce una fuerza adicional sobre la barra magnética, este hecho sugiere que hay dos polos magnéticos Norte y Sur.
Una carga móvil da lugar a una corriente eléctrica constante, que a su vez genera un campo magnético.
La tierra se comporta como un gigantesco imán que se establece un campo magnético en el espacio entorno a ella.
La aguja magnética de la brújula se orienta según las líneas del campo magnético de la tierra, las cuales no coinciden con las líneas del meridiano geográfico.
La declinación magnética es el ángulo formado entre el eje geográfico y el magnético.
La declinación magnética es producto del viento solar.
La declinación magnética varía en cada momento, no es constante; en promedio hay una proporción aproximada con el cual se puede efectuar cálculos de mucha utilidad en la cartografía y topografía.
El arco descrito en la oscilación es inversamente proporcional a la distancia que existe entre la barra magnética y la esfera.
En el procedimiento la barra siempre se orienta al campo magnético de la tierra.
Al acerca una barra magnética a otra colgado en un péndulo, produce repulsión, lo cual a su vez ayuda a la existencia de oscilaciones.
Al efectuar la repulsión la barra se mueve de acuerdo a la distancia de la otra barra.
Laboratorio de Física III 14 Experiencia 7: Campo Magnético Terrestre y Componente horizontal
7. RECOMENDACIONES
Antes de comenzar su experimento debe revisar que tenga todos sus materiales.
Antes de proceder a realizar las medidas en la balanza, cuide que ésta este calibrada.
Cuando se tracen las líneas de fuerza, se debe ser lo más preciso posible, ya que las líneas del campo magnético del polo Norte y Sur deben ser simétricas.
No acerque demasiado los imanes a la brújula pues sus agujas se pueden imantar.
Al momento de trabajar se aleja todo objeto que tenga metal debido a que puede alterar la dirección de las agujas en la brújula.
Mantenga la brújula alejada lo suficiente de los imanes de barra para que no influya en los datos obtenidos durante el experimento.
La barra debe estar a una distancia no mayor de 2 cm, para que el ángulo no sea mayor de 12º.
La barra que se encuentra en el péndulo debe estar totalmente estática para no variar las mediciones.
La distancia de la cuerda que sostiene a la esfera debe ser mayor a 2.5 cm para que sea observable las oscilaciones.
Se deberá quitar cualquier tipo de dispositivo electrónico (mp3, celulares, mp4) y pulseras, relojes, etc. para evitar que influya en la dirección de la barra colgada.
No tocar las barras de electrodos antes de haberlas descargado antes.
Mantener la calma ante cualquier falla en el experimento.
Cualquier interrogante será dada al docente encargado.
Al terminar su experimento deje su mesa de trabajo limpia y ordenada.
Es importante seguir paso a paso las indicaciones del profesor.
Tener en cuenta las medidas de seguridad al momento de realizar este tipo de experimento.
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8. BIBLIOGRAFÍA
Raymond A. Serway “Física para Ciencias e Ingenierías” se xta edición volumen
II.
Manual de laboratorio de Física III.
Física para ciencias e ingenierías con Física moderna, Serway- Jewett, Séptima edición, Volumen 2, pgs.808-809.
