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MAGNETISMO El magnetismo es un fenómeno físico caracterizado por el hecho de que los cuerpos que poseen esta propiedad, ejercen fuerzas de atracción y repul epulsi sión ón so sobr bre e otr otros obje objeto tos. s. Dete Deterrmina minado doss ma mate teri rial ales es pose poseen en cara ca ract cter erís ísti tica cass ma magn gnét étic icas as y se co cono noce cen n por por tant tanto o co como mo imane imaness o magnetos. Todo Todo imn tiene dos polos! el polo norte y el polo polo sur "dipolo magnético#! $mbos polos atraen objetos que, por lo menos parcialmente, estn constituidos por materiales ferromagnéticos. ferromagnéticos.
MATERIALES MATERIALES MAGNÉTICOS Materiales diamagnéticos %lata, cobre, bismuto, agua. &stos aten'an muy poco el campo, es decir no son magnéticos. Materiales ferromagnéticos (ierro, cobalto, níquel. &stos intensi)can el campo considerablemente. Materiales paramagnéticos %latino, aluminio, aire. &stos intensi)can el campo muy le*emente.
CAMPO MAGNÉTICO E LA TIERRA
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(aciendo una simpli)cación, la tierra se puede considerar como un imn de barra, que ejerce una fuerza de atracción y repulsión sobre otros imanes. %or esta razón, como bien se sabe, la aguja imantada de una br'jula se orienta hacia los polos de la tierra, a lo largo de las líneas del camp ca mpo o. Tam ambi bién én pare parece ce que que algu alguno noss anim animal ales es,, co como mo las las palo paloma mas, s, utilizan el campo magnético para orientarse. El polo norte de una br'jula indica apro+imadamente la dirección del polo norte geogr)co. En este caso, aparentemente, e+iste una contradicción con la regla de los polos "polos opuestos - atracción#. En realidad, el imn de barra/ terrestre se encuen encuentra tra polari polarizad zado o in*ers in*ersame amente nte,, est est conten contenido ido en el n'cleo n'cleo líquido e+terior de la tierra y tiene una inclinación de unos 012 con respecto al eje de rotación de la tierra.
Origen del campo magnético terrestre
El n'cleo interno de la tierra es sólido y el n'cleo e+terno es líquido. En el n'cleo líquido e+terior se produce la con*ección "mo*imiento circular# de la mezcla líquida de hierro níquel y azufre, lo que causa una corriente eléc eléctr tric ica a de ma magn gnit itud ud inim inimag agin inab able le.. Esto Esto orig origin ina a una una indu inducc cció ión n electromagnética en el n'cleo de la tierra, que produce a su *ez, un gigantesco campo magnético.
La !r"#$la
3na 3na br'j br'jul ula a const onsta a bsi bsiccam amen entte de un imn apoy apoyado ado ópti óptima mame ment nte, e, lo que que le perm permit ite e rotar rotar libr librem emen ente te.. %or lo gene general ral,, la br'j br'jul ula a tien tiene e una una forma peque4a y sus e+tremos terminan en punta. %or esta razón se habla de la aguja imantada de la br'jula. 5ajo 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 br'jula se4ala apro+imadamente en la dirección del polo norte geogr)co.
%!icaci&n geogr'(ca de los polos
En realidad, el polo magnético sur de la tierra queda cerca del polo geog geogr r)c )co o nort norte. e. En el ma mapa pa se pued puede e ubic ubicar ar e+ac e+acta tame ment nte e el polo polo magnético a 672 de latitud norte y 0882 de longitud este. El polo magnético norte queda en el plano e+actamente a 612 de latitud sur y 0992 de longitud este. :e debe tener en cuenta que los polos
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magnét magnético icoss se despla desplazan zan lenta lentame mente nte.. ;o ;oss *alor *alores es me menci nciona onados dos se re)eren re)eren a mediciones de los a4os 68.
)*+ O,-ETI.OS •
•
•
Determinar las características del campo magnético de la tierra. Determinar la componente horizontal del campo magnético magnético terrestre terrestre en el laboratorio. $nalizar el comportamiento de una barra magnética en un campo magnético
/* MATERIALES
0*+
1%NAMIENTO TE2RICO
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Es muy conocido que la aguja de una br'jula se oriente de sur a norte debido al campo magn ma gnét étic ico o terr terres estr tre. e. ;a tier tierra ra se co comp mpor orta ta como un gigantesco imn/. ;a aguja magnética de la br'jula se orienta seg'n las líneas del campo magnético de la Tierra, las cuales no coin co inci cide den n e+act +actam amen ente te co con n las las líne líneas as del del meridiano geogr)co. En ngulo que forma del
egati*as "D?# y las que estén a la derecha o E "este# sern positi*as "D@#. Estudios realizados durante muchos a4os permitieron establecer que la D "declinación magnética# mantiene un sentido de crecimiento o aument aumento o de su *alor *alor en grados grados hasta hasta llegar llegar a un *alor *alor m+imo m+imo que mantiene durante un periodo considerable para comenzar a decrecer "disminución de su *alor en grados#. ;as líneas de fuerza fuerza salen e ingresan ingresan al n'cleo n'cleo de la tierra tierra atra*esando atra*esando la corteza terrestre, son tangenciales al meridiano magnético describe un arco que pro*oca que al ingresar en el polo norte magnético lo hagan en forma forma *ertic *ertical al a la super) super)cie cie terre terrestr stre. e. Auando Auando la inclin inclinaci ación ón es horizontal las líneas de fuerza estn ubicadas en el Ecuador
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;a inte intens nsid idad ad del del ca camp mpo o ma magn gnét étic ico o terr terres estr tre e 5 en un punto punto dado dado depende de sus polos magnéticos y y es tangente a la línea de fuerza que pasa por dicho punto. Auando una barra magnética suspendida α
mediant ante un hilo muy delgado form ormando un ng ngulo con la comp co mpon onen ente te horiz horizont ontal al del del ca camp mpo o ma magn gnét étic ico o terr terres estr tre, e, inic inicia ia un mo*i mo*imi mien ento to os osci cila lato tori rio o debi debido do al torq torque ue prod produc ucid ido o por por la fuer fuerza za magnética, como se muestra. :i el ngulo de oscilación est dado por!
T
=
2π
α < 15º
entonces el mo*imiento
I
µ B x
Donde B es el momento de inercia de la barra con respecto al eje de B x
µ
rotación, es el momento magnético de la barra y es la componente horizontal del campo magnético terrestre. %or de)nición, el momento magnético de la barra est dado por!
µ = m.L m
Donde es la carga magnética/ o también llamada masa magnética/ y ; es la distancia entre las masas magnéticas. De la primera ecuación se deduce que!
B x
=
4π 2 I
µ T 2
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El momento de inercia de un paralelepípedo rectangular de masa < y de lados a, b, c que gira alrededor de un eje est dado por!
I
M =
12
(a 2 + b 2 )
%or otr otro lado, ado, la magni agnittud del del cam ampo po magné agnéttico ico 5 de la barra arra magnética, en el punto %, tal como se muestra, se encuentra a partir de la ley de Aoulomb para el campo magnético, y *iene dado por!
B p
=
32kmLd (4 d 2 − L2 ) 2
Donde, d/ es la distancia desde el punto medio de la barra a un punto % k = 10
7
−
Wb Am
y m/ es la masa magnética. En el :.B. . :i la bar barra magné agnéti tica ca se orie orient nta a perp perpen endi dicu cula larm rmen ente te al camp campo o magn ma gnét étic ico o ter terres estr tre, e, se encu encuen entr tra a que, que, en el punt punto o %, el camp campo o magnético magnético total
BT
, est en la dirección como en la Cigura de la guía. φ = 45º
Auando el ngulo , entonces el campo magnético de la barra es igual a la componente horizontal del campo magnético terrestre, es decir
B P
=
Bh
. Auando esto ocurre la ecuación anterior de transforma en! 5t
;
5h m
-m
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5p
%
N
d B x
S
8π 2kld =
T (4 d
2
−
2
L
)
3*+ PROCEIMIENTOS 3*)*+ E+amine y reconozca cada uno de los materiales de su equipo. ealice ealice las calibraciones de los equipos. 3*/*+ 3tilice la balanza de masas y mida el *alor de la masa de la barra magnética <, en Filogramos. Aon el Gernier mida las dimensiones a/ y b/ de la barra magnética. $ partir de estos datos medidos halle el momento de inercia de la barra magnética usando la ecuación dada anteriormente.
a 2 + b 2 I = M ÷ 12 (0, (0, 0609) 2 + (0, 0061) 2 −6 kg = × I = 0 , 01 0 1 9 5 , 93 9 3 1 0 2 ÷ m 12 TABLA 1
Masa M45g6
Longit$d a4m6
Anc7o !4m6
Momento de inercia I 45g+m/6
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8,80H
8,8I8H
8,88I0
9H+08?I JgKm1
3*0*+ Determina Determina la distancia distancia ;/, entre entre los polos magnéticos magnéticos del imn. %ara ello utilice la br'jula. $ntes de realizar la medición desaloje de la mesa me sa de trabajo trabajo todo todo materi material al magnét magnético ico,, como como por eje ejempl mplo, o, reloj reloj,, anillos, gafas, etc. Aoloque la barra magnética en el centro de la mesa y con la ayuda de la br'jula trace algunas líneas de fuerza, que se salgan de los polos. %rolongando las líneas trazadas en la dirección en que ellas parecen con*erger para encontrar la posición de los polos magnéticos.
3*3*+ Determine la dirección del campo magnético terrestre, retirando lo ms lejos posibles la barra magnética y coloque la br'jula en el centro de la mesa. Trace la dirección del campo magnético terrestre.
3*8*+ Trace race una perpen perpendic dicular ular a la direcc dirección ión del campo campo magnét magnético ico terrestre y sobre esta recta alinee la barra magnética, tal como se muestra en la Cigura de la guía. El punto % es la intersección de las dos rectas que se han trazado. 3*9*+ Aoloque la br'jula en el punto %. $cercndose o alejando la barra magnética al punto % se consigue que las agujas de la br'jula forme un φ = 45º
ngulo de . En esa posición mida la distancia d/ y registre ese dato en la tabla 1.
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3*:*+ :uspenda la barra magnética en la horquilla del del magnetómetro magnetómetro y alinéela en la dirección del campo magnético terrestre. Aon la ayuda de otra otra barra barra magnét magnética ica produz produzca ca osc oscila ilacio ciones nes con ngulos ngulos de giro giro no mayo ma yore ress 082, 082, que que no teng tenga a *ibr *ibrac acio ione ness late latera rale les. s. etir etire e todos todos los los cuerpos magnéticos una *ez que la barra este oscilando. 3*;*+
N< de mediciones
)
/
0
3
8
N< de oscilaciones
08
08
08
08
08
Tiempo= t4s6
IL,7 7
I6
IL
IL
I6
Per>odo= T4s6
I,L7 7
I,6
I,L
I,L
I,6
L ? 8,897 ? 8,897 m
d ? 8,08 ? 8,08 m
Bh
=
8π 2kld T ( 4d 2
− L2 )
T ? I,6I0 ? I,6I0
,7 ? ,1H+08 ? ,1H+08?9
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Bh
=
8π 2 × 10
7
−
×
5, 93 × 10
6
−
×
0,103
6, 761× (4 × (0,103) 2 − (0,05 ,0 54) 2 )
=
3, 29 ×10
5
−
8*+ C%ESTIONARIO 8*)*+ %tilice la ec$aci&n @$e se mostr& anteriormente para calc$lar la magnit$d del campo terrestre en el la!oratorio* Aon los Aon los c clc lcul ulos os ante anteri rior ores es tene tenemo moss que que la ma magn gnit itud ud del del campo terrestre en el laboratorio es!
Bh
=
8π 2 ×10
7
−
×
5, 93 ×10
6
−
×
0,103
6,761 ,761× ( 4 × (0,103)2 − (0, 054)2 )
=
3, 29 ×10
5
−
8*/*+ B$é f$entes de error considera $sted @$e 7an
afec afecta tado do a los los res$ res$lt ltad ados os @$ @$e e 7a o!te o!teni nido do C&m C&mo o podr>an s$perarse estos errores •
El mo*imiento de la barra colgada "tipo# péndulo no fue ideal, puede no cumplirse que
α < 15º
.
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•
El tiem tiempo po de me medi dida da del del perí período odo del del pénd péndul ulo o pued puede e tene tenerr ligeros errores. ;a prese presenci ncia a de otros otros instru instrumen mentos tos magnét magnético icoss que pueden pueden entorpecer el uso de la br'jula.
Estos errores pueden superarse tratando de realizar el e+perimento en un rea rea aisl aislad ada, a, só sólo lo co con n la pres presen enci cia a de los los inst instru rume ment ntos os de la e+periencia.
8*0*+ Gra(@$e la l>nea de f$erDa de la !arra magnética
seFalando la posici&n de los polos magnéticos las distancias L d*
5t
5h
8,897m
79M m
5p
%
N 8,08m
-m
S
8*3*+ C$'les son las caracter>sticas del campo magnético terrestre C$'l es el comportamiento de $na !arra magnética dentro de $n campo magnético •
El campo magnético terrestre es uniforme.
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•
•
;a dirección la imantación interna forma un ngulo de 092 con el eje terrestre. (a *ariado en el curso de las eras geológicas. Es un fenómeno natural originado por los mo*imientos de metales líquidos en el n'cleo del planeta.
Auando una barra magnética es introducida en un campo magnético suspendida con un hilo delgado forma un ngulo con la componente horizontal del campo magnético terrestre e inicia un mo*imiento oscilatorio debido al torque producido por la fuerza magnética que act'a sobre la barra magnética.
8*8*+ En @$é l$gar de la Tierra los componentes 7oriDontal Hertical del campo magnético terrestre son m'imos Por @$é En el Ecuador magnético, el campo magnético terrestre no es horizontalN el ngulo que forma el campo con la horizontal se denomina inclinación magnética. ;a magnitud del campo magnético ser m+ima en el Ecuador por su latitud. %ara un ngulo a H82, G es m+imoN luego sena senpK1 0, esto se da en los polos.
9* CONCL%SIONES
>o se puede determinar la dirección del campo magnético terrestre a tra*és de la br'jula. %or las alteraciones que pueda tener esta o la alteración de cuerposcargados.1. El plano *ertical que contiene a (t "meridiano magnético# no coincide engeneral con el meridiano geogr)co.
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