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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO

Facultad de Ingeniería Química FISICA III____________________________

CAMPO MAGNÉTICO I. OBJETIVOS.  

Calcular experimentalmente la intensidad de polo de una barra magnética. Obtener el mapa de las líneas de inducción para el caso de una barra magnética. Determinar experimentalmente el flujo magnético en una bobina.

II. FUNDAMENTO TEORICO.El término magnetismo tiene su origen en el nombre que en la época de los filósofos griegos recibía una región del Asia Menor, entonces denominada Magnesia; en ella abundaba una piedra negra o piedra imán capaz de atraer objetos de hierro y de comunicarles por contacto un poder similar. A pesar de que ya en el siglo VI a. de C. se conocía un cierto número de fenómenos magnéticos, el magnetismo como disciplina no comienza a desarrollarse hasta más de veinte siglos después, cuando la experimentación se convierte en una herramienta esencial para el desarrollo del conocimiento científico. Gilbert (1544-1603), Ampére (1775-1836), Oersted (17771851), Faraday (1791-1867) y Maxwell (1831-1879), investigaron sobre las características de los fenómenos magnéticos, aportando una descripción en forma de leyes, cada vez más completa. Los fenómenos magnéticos habían permanecido durante mucho tiempo en la historia de la ciencia como independientes de los eléctricos. Pero el avance de la electricidad por un lado y del magnetismo por otro, preparó la síntesis de ambas partes de la física en una sola, el electromagnetismo, que reúne las relaciones mutuas existentes entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas. James Clark Maxwell fue el científico que cerró ese sistema de relaciones al elaborar su teoría electromagnética, una de las más bellas construcciones conceptuales de la física clásica. En 1821 Hans Christian Oersted, en Dinamarca, observó inesperadamente que una corriente eléctrica movía la aguja de una brújula. ¡Una corriente eléctrica producía una fuerza magnética! Andre-Marie Ampere, en Francia, pronto desveló el significado. La naturaleza fundamental del magnetismo no estaba asociada con los polos magnéticos o con los imanes, sino con las corrientes eléctricas. La fuerza magnética es básicamente un fuerza entre corrientes eléctricas.

•

•

Dos corrientes paralelas en la misma dirección se atraen entre sí.

•

Dos corrientes paralelas en direcciones opuestas se repelen entre sí.

Dos corrientes circulares en dirección se atraen entre sí.

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la

misma


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Dos corrientes circulares en direcciones opuestas se repelen entre sí.

Sustituya cada círculo con una bobina de 10, 100 o más vueltas, transportando la misma corriente (figura inferior): la atracción o la repulsión se incrementan por un múltiplo adecuado. De hecho, cada bobina actúa de forma muy parecida a un imán con polos magnéticos en cada extremo (un "electroimán"). Ampere sugirió que cada átomo de hierro contenido en una corriente circulante, se convertía en un pequeño imán y que en un imán todos estos imanes atómicos se alineaban en la misma dirección, permitiendo sumarse a sus fuerzas.

La propiedad magnética se hace aún más fuerte si se coloca dentro de las bobinas un núcleo de hierro, creando un "electroimán"; que requiere la ayuda del hierro, pero su presencia no es esencial. De hecho, algunos de los más potentes imanes del Universo no contienen hierro, porque el beneficio añadido del hierro dentro de un electroimán tiene un límite determinado, mientras que el valor de la fuerza magnética producida directamente por una corriente eléctrica solo está limitada por consideraciones de diseño. El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q que se desplaza a una velocidad V, sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo, llamada inducción magnética o densidad de flujo magnético. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.

(Nótese que tanto F como V y B son magnitudes vectoriales y el producto cruz es un producto vectorial que tiene como resultante un vector perpendicular tanto a V como a B). El módulo de la fuerza resultante será:

La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro. Fuentes del campo magnético: Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una corriente eléctrica de convección, que da lugar a un campo magnético estático. Por otro lado una corriente de desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso aunque aquella sea estacionaria. La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley de Ampère. El caso más general, que incluye a la corriente de desplazamiento, lo da la ley de Ampère-Maxwell.

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Campo magnético producido por una carga puntual: El campo magnético generado por una única carga en movimiento (no por una corriente eléctrica) se calcula a partir de la siguiente expresión: Donde: Esta última expresión define un campo vectorial solenoidal, para distribuciones de cargas en movimiento la expresión es diferente, pero puede probarse que el campo magnético sigue siendo un campo solenoidal. Líneas de campo: Las líneas de campo fueron introducidas por Michael Faraday, que las denominó "líneas de fuerza". Durante muchos años fueron vistas meramente como una forma de visualizar los campos magnéticos y los ingenieros eléctricos preferían otras formas, más útiles matemáticamente. Sin embargo no era así en el espacio, donde las líneas eran fundamentales para la forma en que se movían los electrones e iones. Estas partículas cargadas eléctricamente tienden a permanecer unidas a las líneas de campo donde se asientan, girando en espiral a su alrededor mientras se deslizan por ellas, como las cuentas de un collar. Debido a esta unión, el comportamiento del gas electrificado ("plasma") en el espacio, un gas de iones y electrones libres, es dictado por la estructura de las líneas de campo: las corrientes eléctricas, por ejemplo, encuentran más fácil fluir a lo largo de estas líneas. El papel de las líneas de campo en un plasma se parece a las vetas de la madera: como la veta es la dirección "fácil" a lo largo de la cual la madera se raja más fácilmente, así la dirección de las líneas de campo es la que prefieren para fluir las partículas, las corrientes eléctricas, el calor y ciertos tipos de ondas. Flujo magnético: Se denomina flujo al producto escalar del vector campo por vector superficie

el

Si el campo no es constante o la superficie no es plana, se calcula el flujo a través de cada elemento dS de superficie, B·dS El flujo a través de la superficie S, es

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III. EQUIPOS Y MATERIALES.-

♣ Interfase Science Workshops 750.

♣ ♣ ♣ ♣ ♣ ♣

Amplificador de potencia. Sensor de campo magnético. Barras magnéticas, compases transparentes, bobinas. Papel milimetrado Regla milimétrica, calibrador vernier Cables de conexión

IV. PROCEDIMIENTOS Y ACTIVIDADES.Primera actividad: a. Examine su equipo y verifique el funcionamiento de las agujas magnéticas a utilizar (compases magnéticos con 19mm de diámetro). Determine el polo norte de las agujas magnéticas, para esto tenga en cuenta que estas debe apuntar al norte geográfico que corresponde al sur magnético. b. Aleje todo cuerpo magnético ó metálico de la mesa y con ayuda de los compases determine la dirección del campo magnético terrestre. c. Alinee la regla en la dirección del campo magnético terrestre (meridiano magnético Norte-Sur) y para que posteriormente pueda trabajar con facilidad, levante la regla a una altura de 3 ó 4 cm. d. Fije la barra magnética al centro de una hoja de papel milimetrado usando cinta adhesiva y trace sobre el papel el perfil de la barra. e. Determine el polo norte de la barra magnética y ubíquela de tal formo que la dirección de su campo sea opuesta a la del campo magnético terrestre.

f. Acerque un compás al polo norte de la barra magnética y observe la orientación de la aguja. g. Oriente el papel milimetrado de tal forma que la dirección de la aguja sea paralela a la dirección del campo magnético terrestre, representado por la regla. h. Marque con un lápiz, en el papel milimetrado, los extremos de la aguja magnética. i. Desplace el compás de tal manera que uno de sus extremos coincida con uno de los puntos marcados anteriormente. Nuevamente debe orientar el papel milimetrado de tal forma que la

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dirección de la aguja magnética sea paralela a la regla. En estas condiciones, podrá marcar otro punto.

j. Repita el paso anterior hasta que llegue al polo sur de la barra magnética. Con un trazo continuo una los puntos marcados y obtendrá una línea de fuerza. k. Tome otro punto del polo norte de la barra magnética y trace una nueva línea de fuerza, repitiendo los pasos (f) hasta (j) Determine por lo menos 10 de estas líneas para que tenga un mapa magnético de la barra. l. Retire la barra magnética del papel y prolongue las líneas de fuerza hasta los puntos donde parecen converger.

Segunda actividad: a. Con la ayuda de un vernier mida el diámetro interior del solenoide y determine el área de la sección transversal. b. Conecte el amplificador en las terminales de la bobina secundaria del solenoide (2920 vueltas por 11 cm.) c. Indique un voltaje de 8V en CC y genere un grafico que registre la corriente suministrada.

d. Posicione el interruptor del sensor de campo magnético para medición de un campo axial, con el interruptor de ganancia en 1x. e. Coloque el sensor de campo magnético en el interior del solenoide (totalidad)

f. Pulse el botón “Inicio” y mida la magnitud del campo al interior (punto central).

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g. Verifique este resultado con el obtenido usando la ecuación:

B = µο .ni

,

n=

N l

donde:

, es el numero de vueltas (N) por unidad de longitud (l), y la corriente registrada, luego calcule el error porcentual. Usando la primera fórmula:

( 4π 10 B= x

−7

Weber

Y usando el Data Studio:

m2

) ( 2920 vueltas ) (0,1004 A ) = 3,34914 10 Tesla

( 0,11m )

x

−3

B = 3,4 x 10-3 Tesla

h. Conociendo el área de la sección transversal de la bobina, y el valor experimental del campo magnético medido con el sensor y usando la ecuación φ = BA , calcule el flujo magnético experimental. m

ÁREABOBINA = 0,028 m2

φm = (3,4 x10 −3 Tesla )( 0,028 m 2 ) = 9,52 x10 −5Weber

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i. Compare el resultado obtenido experimentalmente para el flujo y compárelo con el logrado usando el valor teórico del campo magnético; luego determine

el error

porcentual.

φm ( teorico ) = 9,378 x10 −5Weber % ERROR =

% ERROR =

[(9,378x10

φm ( exp erimental ) = 9,52 x10 −5 Weber

Y

( teorico − exp erimental ) x100 teorico

]

Weber) − ( 9,52 x10−5Weber) = −1,514% (9,378x10−5Weber) −5

V. CUESTIONARIO.1. Defina el meridiano magnético terrestre. ¿Coincide con el meridiano geográfico?, Explique: Meridiano magnético terrestre.- Las líneas magnéticas en su recorrido sobre la superficie terrestre forman los meridianos magnéticos. Estas líneas magnéticas no son fijas en su posición geográfica ni en su dirección, parten del núcleo de la tierra, atraviesan la corteza terrestre en el Polo Sur Magnético y se dirigen en busca del Polo Norte Magnético en donde vuelven a atravesar la corteza terrestre para llegar nuevamente al núcleo; forman curvas que cambian constantemente de posición, se desplazan en forma lenta pero continua. En el arco que recorren toman distintas posiciones respecto de su orientación al Norte Magnético, describiendo Meridianos Magnéticos que son similares a los Meridianos Geográficos pero no coincidentes. La dirección de las líneas magnéticas es la dirección que toma la aguja de una brújula apuntando al Norte Magnético. Así como existen isobaras (líneas que unen puntos de igual presión atmosférica) isobatas (líneas que unen puntos de igual profundidad, con respecto a la dirección e intensidad de las líneas magnéticas existen: Líneas isógonas: Las que unen puntos de igual declinación magnética. Líneas isóclinas: Las que unen puntos de igual inclinación magnética. Líneas isodinámicas: Unen puntos de igual intensidad y fuerza magnética. 2. ¿Qué es lo que se ha pretendido lograr cada vez que se orientaba el papel milimetrado de tal forma que la aguja magnética era paralela a la regla? Se quiso graficar (líneas de campo) el campo magnético que producía la barra alrededor de su cuerpo la cual manifiesta su influencia magnética dado que era imantada.

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El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, éste al girar imparte una fuerza magnética a otras partículas que están en el campo.

3. Localice la posición aparente de los polos magnéticos de la barra, explique: Cuando observamos las fuerzas producidas por un imán, parece que éstas se originan en regiones situadas en sus extremos si además lo suspendemos de manera que pueda moverse con libertad en un plano horizontal, notamos que se alinea en la dirección Norte- Sur aproximadamente. Debido a esto, al extremo que apunta hacia el Norte se le llama polo norte y al extremo que apunta hacia el Sur se le llama polo sur. Para que se alinee en la dirección Norte-Sur, es necesario que no se encuentren objetos magnéticos en los alrededores, que distorsionen el magnetismo terrestre o que puedan ser afectados por el imán.

4. Considere que el valor de la intensidad de la componente horizontal del campo magnético terrestre es 5,7x10-5 Weber/m2, determine la distancia de los polos de la barra magnética. Explique la forma de llegar a esto: 5. ¿Cuál es la distancia entre los polos magnéticos de la barra?, ¿coincide con la longitud de la misma?, explique: La longitud de la barra es de 18cm. 6. ¿Qué fuentes de error han efectuado sus resultados?, detalle su respuesta. 7. ¿Es posible obtener un imán mas intenso que el otro? Para que un imán pierda sus propiedades debe llegar a la llamada "temperatura de Curie" que es diferente para cada composición. Por ejemplo para un imán cerámico es de 450 ºC, para uno de cobalto 800 ºC, etc. También se produce la desimanación por contacto, cada vez que pegamos algo a un imán perdemos parte de sus propiedades. Los golpes fuertes pueden descolocar las partículas haciendo que el imán pierda su potencia.

8. ¿Es posible un imán recto con tres polos magnéticos? No, 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

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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. Dado que el imán se rige al concepto de campo magnético de la tierra y este a su vez solo puede tener polos norte y sur entonces el imán solo posee dos polos como la tierra.

9. ¿Actualmente se cree que los llamados fenómenos magnéticos proceden de las fuerzas originadas entre cargas eléctricas en movimiento? Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán (tiene momento dipolar magnético electrónico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados. Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica circulando por una bobina. De nuevo, en general, el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones, los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible. El comportamiento magnético de un material puede variar enormemente, dependiendo de la estructura del material, y particularmente de la configuración electrónica. 10. ¿Se denomina solenoide a cualquier conjunto de conductores con corriente? Un solenoide es definido como una bobina de forma cilíndrica que cuenta con un hilo de material conductor enrollada sobre si a fin de que, con el paso de la corriente eléctrica, se genere un intenso campo eléctrico. Cuando este campo magnético aparece comienza a operar como un imán. La función principal de un solenoide es activar una válvula que lleva su mismo nombre, la válvula solenoide. Esta válvula opera de acuerdo a los pulsos eléctricos de su apertura y de su cierre. Para hacer que uno de estos dispositivos cumpla sus funciones, es necesario aplica corriente positiva a uno de sus terminales. Se aplican cargas positivas y no negativas ya que esta última está aplicada en el momento en que se instala, en la tierra. En el único caso en que este principio no es aplicable, es para los motores de arranque. Estos motores son controlados por un interruptor, o switch, que impide que el vehículo comience a movilizarse a menos que éste se encuentre en neutro o en parking. Este interruptor está ubicado en la transmisión del vehículo y está conectado eléctricamente a fin de que se mueva junto al movimiento de la palanca de cambios. Es importante mencionar que existen varios tipos de solenoide, por lo que es lógico que su instalación y conexión también varíe. No obstante, ya se trate de un solenoide u otro, y se le den usos diferentes, todos ellos operan bajo el mismo principio explicado anteriormente. VI. CONCLUSIONES.-

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Concluida esta práctica el alumno podrá saber un poco más sobre la influencia de los polos terrestres en los campos magnéticos de los materiales.

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Al término de la practica los alumnos conocerán mas acerca de las características de los materiales imantados.

VII. BIBLIOGRAFIAS.-

•

Raymond A. Serway, Física, Tomo II. McGraw-Hill. 5ta. Edición, 2003.

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Sears, Francis; Zemansky, Mark W.,Young, Hugh, Física Universitaria, Vol. 2. Addison Wesley. 11ava. Ed. 2004.

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WWW. mx.answers.yahoo.com/question/index

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